Accessing precision polymers: exploring the characteristics and applicability of nature’s mimics

Abstract

The modern world of polymer science and technology heralds the development of ever-more complex and inventive macromolecular architectures. While striving toward an expansion of the synthesis toolbox we gain access to new and intriguing materials bearing unique properties. Synthetic precision polymers form without a doubt the pinnacle of these advanced polymer systems. However, the access to synthetic sequence-defined (SD) materials has long been impeded by the statistical nature of contemporary reversible-deactivation radical polymerisation (RDRP) reactions. This hurdle has prevented scientists from gaining a practical understanding of the peculiar characteristics precision polymers might possess and how they could contribute to society and the general knowledge base. Therefore, the topic of this thesis was the development of novel and advanced methods for the design of precision polymers via RDRP. This was followed by an in-depth study of various properties of the uniform macromolecules. Finally, the behaviour as observed in well-established biological SD materials was mimicked in synthetic counterparts as a way of bridging both worlds to elevate material functionality. Firstly, linear discrete 18- and 20-mer oligoacrylates were obtained by consecutive synthesis of two SD oligoacrylate 9-and 10-mers followed by disulphide coupling utilising reversible addition−fragmentation chain transfer (RAFT) endgroup chemistry. The oligoacrylates were accessed via consecutive single (SUMI) and multiple (MUMI) unit monomer insertions through RAFT polymerisation using the acrylate monomer library as functional building block. Isolation of the targeted discrete oligomers – from the statistical mixtures obtained at first – was performed by flash column chromatography (FCC) with high efficiency. Purification of the various insertion products by FCC resulted in the fast – less than one hour – and elegant baseline separation of reaction mixtures. Working with FCC has thereby significantly advanced the reachable sequence length of discrete materials now unfolding the full potential of RAFT for the synthesis of SD macromolecules. It was shown that the SUMI and MUMI strategy is highly effective when combined with FCC separation and allows to construct precision materials of considerable length starting from cheap and versatile building blocks. Secondly, the advanced separation of an oligo(methyl acrylate) (MA) distribution – obtained by RAFT polymerisation – in a discrete oligomeric library was realised. The elements in the library had a degree of polymerisation between 1 and 22. The properties of this library – in terms of diffusivity, glass transition temperature and viscosity – were determined, filling a significant knowledge gap associated with these materials. Furthermore, the obtained oligomer library was used to construct artificial oligomer distributions on demand with an absolute control over the contribution of every individual chain length. These artificial oligomer distributions highlighted the potential to tailor physical properties of a material. They concomitantly demonstrated the limitations associated with size-exclusion chromatography (SEC) analysis of molecular weight distributions and dispersity in particular. Thirdly, the extent of precision oligomer characterisation was broadened by introducing additional monomer classes. Physical properties of discrete oligo(methyl methacrylate) (MMA) and oligo(di(ethylene glycol) ethyl ether acrylate) (DEGEEA) in the range of chain length 1 to 10 were determined. These libraries were generated through the proven two-step process of RAFT polymerisation followed by FCC separation. Both thermal properties as well as self-diffusion behaviour were studied. In terms of diffusivity oligo(MMA) was almost identical to the previously studied oligo(MA). The more bulky oligo(DEGEEA) showed a somewhat stronger molecular mass dependency in its diffusivity resulting in generally lower diffusion coefficients. Overall glass transition trends of all small oligomers are similar, yet vastly different dependencies are observed with increasing chain length. Lastly, inspired by biological precision macromolecules and their unique properties the hybridisation behaviour of various synthetic nucleobase materials was investigated. Several nuclear magnetic resonance (NMR) techniques proved adequate to establish the hybridisation character between nucleobases. Hydrogen (H)-bond formation was confirmed between the complementary nucleobases adenine and thymine both in monomeric and polymeric form. For the polymer systems – accessed by RAFT polymerisation – macromolecular properties illustrated that hybridisation between complementary nucleobases was favoured above non-complementary interactions. The presented results provide a first indication of the power of synthetic nucleobase polymers and their resemblance to biological macromolecules.

De moderne wereld van polymeerwetenschappen en technologie luidt de ontwikkeling in van steeds complexere macromoleculaire architecturen. Terwijl er wordt gestreefd naar een uitbreiding van de synthese mogelijkheden, krijgen we toegang tot nieuwe en intrigerende materialen met unieke eigenschappen. Synthetische precisiepolymeren vormen zonder twijfel het hoogtepunt van deze geavanceerde polymeersystemen. De toegang tot synthetische sequentiegedefinieerde (SD) materialen werd echter lange tijd belemmerd door de statistische aard van de hedendaagse reversiebele-deactivering radicalaire polymerisatie (RDRP) reacties. Deze hindernis heeft wetenschappers ervan weerhouden praktisch inzicht te verwerven in de bijzondere eigenschappen die precisiepolymeren kunnen hebben en hoe ze kunnen bijdragen aan de samenleving en de algemene kennisbasis. Daarom was het onderwerp van dit proefschrift de ontwikkeling van nieuwe en geavanceerde methoden voor het ontwerp van precisiepolymeren via RDRP. Dit werd gevolgd door een diepgaande studie van verschillende eigenschappen van de uniforme macromoleculen. Ten slotte werd het gedrag zoals waargenomen in gevestigde biologische SD-materialen nagebootst in synthetische tegenhangers als een manier om beide werelden te overbruggen en zo de materiaalfunctionaliteit te verbeteren. In eerste instantie werden lineaire discrete 18- en 20-meer oligoacrylaten verkregen door synthese van twee SD-oligoacrylaat 9- en 10-meren, gevolgd door disulfidekoppeling met behulp van reversiebele additie-fragmentatie ketenoverdracht (RAFT) eindgroepchemie. De oligoacrylaten werden benaderd via opeenvolgende enkelvoudige (SUMI) en meervoudige (MUMI) monomeer inserties door RAFT polymerisatie met behulp van de acrylaat monomeer bibliotheek als functionele bouwsteen. Isolatie van de beoogde afzonderlijke oligomeren – uit de aanvankelijk verkregen statistische mengsels – werd met hoge efficiëntie uitgevoerd door middel van kolom chromatografie (FCC). Zuivering van de verschillende insertieproducten door FCC resulteerde in de snelle – minder dan een uur – en elegante basislijn scheiding van reactiemengsels. Het werken met FCC heeft daardoor de bereikbare sequentielengte van discrete materialen aanzienlijk verbeterd, waardoor nu het volledige potentieel van RAFT voor de synthese van SD macromoleculen wordt ontplooid. Er werd aangetoond dat de SUMI en MUMI strategie zeer effectief is in combinatie met FCC scheidingen en het mogelijk maakt om precisiematerialen van aanzienlijke lengte te construeren, uitgaande van goedkope en veelzijdige bouwstenen. In een tweede toepassing werd de geavenceerde scheiding van een oligo(methyl acrylaat) (MA) distributie – verkregen door RAFT polymerisatie – in een discrete oligomeer bibliotheek gerealiseerd. De elementen in de bibliotheek hadden een polymerisatiegraad tussen 1 en 22. De eigenschappen van deze bibliotheek – in termen van diffusievermogen, glasovergangstemperatuur en viscositeit – werden bepaald, waarmee een aanzienlijk kennistekort werd opgevuld. Verder werd de verkregen oligomeer bibliotheek gebruikt om kunstmatige oligomeerverdelingen te construeren met een absolute controle over de bijdrage van elke individuele ketenlengte. Deze kunstmatige oligomeerdistributies benadrukten het potentieel om fysische eigenschappen van een materiaal aan te passen. Ze toonden gelijktijdig de beperkingen aan die geassocieerd zijn met gelpermeatie chromatografie (GPC) analyse van moleculaire massaverdelingen en dispersiteit. Vervolgens werd de mate van precisie-oligomeer karakterisering verbreed door extra monomeerklassen te introduceren. Fysische eigenschappen van discrete oligo(methylmethacrylaat) (MMA) en oligo(di(ethyleenglycol) ethyletheracrylaat) (DEGEEA) in het bereik van ketenlengte 1 tot 10 werden bepaald. Deze bibliotheken werden gegenereerd door het beproefde tweestapsproces van RAFT polymerisatie gevolgd door FCC scheiding. Zowel thermische eigenschappen als het zelfdiffusie gedrag werden bestudeerd. Oligo(MMA) is qua diffusie bijna identiek aan het eerder bestudeerde oligo(MA). Het omvangrijkere oligo(DEGEEA) vertoont een ietwat sterkere afhankelijkheid van de moleculaire massa in het diffusie gedrag, wat resulteert in lagere diffusiecoëfficiënten. De algemene glasovergangstrends van alle oligomeren zijn vergelijkbaar, maar er werden duidelijk verschillende afhankelijkheden waargenomen met toenemende ketenlengte. Tot slot werd, geïnspireerd door biologische precisie macromoleculen en hun unieke eigenschappen, het hybridisatiegedrag van verschillende synthetische nucleobase materialen onderzocht. Meerdere kernspinresonantie (NMR) technieken bleken geschikt om het hybridisatiekarakter tussen nucleobasen vast te stellen. De vorming van waterstof (H)-bindingen tussen de complementaire nucleobasen adenine en thymine werd bevestigd, zowel in monomeer als polymeer vorm. Voor de polymeer systemen – toegankelijk via RAFT polymerisatie – illustreerden de macromoleculaire eigenschappen dat hybridisatie tussen complementaire nucleobasen de voorkeur had boven niet-complementaire interacties. De gepresenteerde resultaten geven een eerste indicatie van de kracht van synthetische nucleobase polymeren en hun gelijkenis met biologische macromoleculen.