Advanced polymers - synthesis, online monitoring and digitization

Abstract

Ever since the birth of polymer science in 1920, the understanding, synthesis and application of polymers has been growing exponentially. The various projects covered and reported in this work span several topics of this vibrant and still rapidly developing field. It is also quite an honor to present my work in 2020 which is the 100-year anniversary of Staudinger’s seminal paper. Synthesis of star polymers was the starting point of the here presented doctoral research. Core-first star polymer synthesis was performed to build thermoresponsive star polymers of which the lower critical solution temperature could successfully be tuned by varying the composition of the star polymer’s arms. This is a convenient approach and allows for on-demand synthesis of star polymer structures with a desired thermoresponsive property. While core-first star polymers possess a more defined number of arms, the arm structure itself is not well known. Upscaling the used photobatch approach is rather tedious and end-group functionalization would require additional chemistry. Another method was therefore investigated which alleviates those issues. Hereby a continuous flow reactor cascade was developed for the synthesis of core crosslinked star polymers that possess functional end-groups. Continuous flow has several advantages over batch chemistry, especially for photo-initiated polymerization techniques in which more efficient illumination resulted in faster formation of the stars. Star polymers are used in various applications both industrially as academically. In the former the inherent physicochemical properties of star polymers are exploited (i.e. viscosity modifiers and defoamers) while the academic applications vary from drug delivery to antimicrobial materials. The bacteria killing capacity of a specific type of polypeptide star polymers should herein be highlighted. These are synthesized via N-carboxyanhydride ring opening polymerization (NCA ROP). This polymerization technique was translated to a flow process for linear polypeptide synthesis of which the results were reported in this thesis as well. Faster polymerization of Nε-benzyloxycarbonyl L-Lysine compared with the conventional batch approach was demonstrated and follow-up work focusing on star-shaped polypeptide synthesis in continuous flow is underway. The digital polymer era was heralded in the introduction of this thesis. Various projects were dedicated to exploring and investigating this rapidly expanding research focus in polymer science. Reaction monitoring of continuous flow polymerizations via online size exclusion chromatography (SEC) and high-resolution nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy was herein investigated. Diffusion coefficients of polymers synthesized in continuous flow were correlated with molecular weights to propose a new approach to trace molecular weight evolution of radical polymerizations as a more accurate approach compared with SEC. Flow reactors have a unique advantage in reaction monitoring compared with batch reactions as residence times (i.e. reaction times) can be varied dynamically from high to low. The screening of different reaction times can also be efficiently automated as was demonstrated. Adding an intelligent machine learning algorithm to the screening process further enabled the discovery of optimal reaction conditions to achieve a predefined target molecular weight. Molecular weight distributions (MWDs) have recently received renewed attention from the polymer community. Especially the tailoring of MWDs to reach a target dispersity and the creation of specific characteristic distributions has become an important pursuit. Polymer blending is herein identified as currently most efficient and facile. An in silico theoretical approach was presented by which the experimenter can draw any desired polymer MWD. An algorithm then predicts which polymers should be synthesized and blended in defined quantities to reach the target MWD. In the last experimental chapter, information was stored for the first time in an overlapped MWD. A custom-made algorithm was developed to deconvolute this code trace and read out the stored message. The use of simple characterization via SEC (present in virtually any polymer laboratory) and the hereby associated interlaboratory error resulted in the high applicability, convenience and inherent safety of this novel approach to send encrypted messages around the globe.

Dit werk omvat projecten doorheen verschillende onderwerpen in het levendige en snel ontwikkelende veld dat zich polymeer wetenschappen noemt. Sinds de geboorte in 1920 is het begrip, de synthese en de toepassing van polymeren exponentieel gegroeid. De synthese van ster polymeren was het startpunt van het doctoraatsonderzoek dat hier gerapporteerd is. Kern-eerst ster polymeer synthese werd gebruikt om temperatuurgevoelige sterpolymeren te maken waarvan de onderste kritische oplossingstemperatuur succesvol kon worden aangepast door de compositie van de armen van de ster polymeren te variëren. Dit is een doelmatige methode waardoor elke gewenste temperatuurgevoelige eigenschap kan worden ingebouwd. Hoewel kern-eerst ster polymeren een beter gedefinieerd aantal armen hebben, is de exacte structuur van deze armen vaak niet goed gekend. Het opschalen van de gebruikte foto-batch methode is verder ook niet eenvoudig. Het modificeren van de eindgroepen van ster polymeren vergt ook extra chemische stappen. Daarom werd een andere benadering onderzocht om de ster polymeren te vormen. Hiertoe werd een continue flowreactor cascade ontworpen voor de synthese van kern-verknoopte ster polymeren die functionele groepen bezitten. Continue flow heeft verschillende voordelen vergeleken met batch chemie, specifiek zorgde de verbeterde belichting van het reactiemengsel voor snellere vorming van de sterren. Ster polymeren worden gebruikt in verschillende toepassingen, zowel industrieel als academisch. Bij industriële toepassingen worden vaak de inherente fysicochemische eigenschappen van ster polymeren benut (i.e.viscositeitsmodificatoren en ontschuimers). Academische applicaties variëren van drug delivery tot antimicrobiële materialen. De bacteriedodende capaciteit van een specifiek type polypeptide ster polymeer wordt hierin naar voren geschoven. Deze worden gesynthetiseerd via N-carboxy anhydride ring opening polymerisatie (NCA ROP) en deze techniek werd in dit werk uitgevoerd in een continu flowproces. Dit leidde tot een snellere polymerisatie van Nε-benzyloxycarbonyl L Lysine vergeleken met het conventionele batch proces. In de inleiding werd het digitale polymeer tijdperk ingeluid. Verschillende projecten werden hier toegewijd aan het verkennen en onderzoeken van deze snel ontwikkelende tak binnen de polymeerwetenschappen. Het monitoren van reacties in continue flow polymerisatie via online size exclusiechromatografie (SEC) en hoge-resolutie kernspinresonantie (NMR) spectroscopie werd hierin onderzocht. Diffusie coëfficiënten van in continue flow gesynthetiseerde polymeren werden in dit laatste gecorreleerd met hun moleculaire gewichten. Hierbij werd deze NMRtechniek als nieuwe en accuratere manier voorgesteld om de moleculaire gewichtsevolutie van radicaalpolymerisatie te volgen vergeleken met SEC. Continue flowreactoren hebben een uniek voordeel in het monitoren van reacties vergeleken met batch reactoren, namelijk de mogelijkheid om verblijftijden (i.e. reactietijden) dynamisch te variëren van hoog naar laag. Het screenen van verschillende reactietijden kan ook efficiënt geautomatiseerd worden zoals werd gedemonstreerd in deze thesis. Door een intelligent algoritme voor machinaal leren toe te voegen aan het screening proces werd het mogelijk om automatisch de optimale reactiecondities te ontdekken om zo een vooraf-gedefinieerd moleculairgewicht te bekomen. Recentelijk zijn moleculairgewichtsverdelingen herontdekt door polymeerwetenschappers. Specifiek is het op maat maken van deze verdelingen, het bereiken van een bepaalde dispersiteit en het creëren van specifieke karakteristieke verdelingen een belangrijk streefdoel geworden. Mengen van polymeren werd hierin gezien als momenteel de meest efficiënte en eenvoudige manier om dit te bereiken. Een theoretische in silico methode werd in deze thesis gepresenteerd waarbij elke gewenste polymeerverdeling kan getekend worden door de gebruiker. Vervolgens voorspelt een algoritme welke polymeren gesynthetiseerd moeten worden en de hoeveelheid waarin deze gemengd moeten worden om zo de gewenste verdeling te bekomen. In het laatste experimentele hoofdstuk werd tot slot het mengen van polymeren gebruikt om informatie op te slaan in een overlappende polymeer verdeling. Een algoritme werd speciaal ontworpen om deze verdeling terug uit te kunnen lezen. Het gebruiken van een simpele karakterisatie via SEC (aanwezig in praktisch elk polymeer laboratorium) en de hiermee geassocieerde inter-laboratorium afwijking resulteert in de hoge toepasbaarheid, gebruiksgemak en inherente veiligheid van deze nieuwe methode om versleutelde boodschappen de wereld rond te sturen.