End-functionalization of biosynthetic oligocellulose and polyisoprene for Click chemistry derived block copolymer

Abstract

This master thesis dealt with the use of biosynthetic oligocellulose (OC) and commercial polyisoprene (PI) to synthesize a new sustainable carbohydrate-based block copolymer (BCP). The BCP would have been derived by the coupling of OC and PI by copper(I) catalyzed alkyne/azide cycloaddition (CuAAC). Block copolymer (BCP) self-assembly is a versatile concept for designing functional nanostructures in materials science, nanomedicine, and nanotechnology. By using carbohydrate-based BCPs, sugar moiety brings high hydrophilicity, increasing the interaction parameter for BCP self-assembly with a small number of repeating units. The nanostructure domain sizes can approach the sub 10 nm range.

The experimental part of the work spins from a theoretical basis presented in the first part of the thesis. The OC block is end-functionalized with alkyne functionality to the reducing end carbonyl moiety. 6-azidohexanoic acid (linker) is synthesized for PI end-functionalization, and afterward, PI is reacted with linker molecule from one or both ends of the chain. The PI azide end-functionalization enables the future BCP synthesis with the end-functionalized OC by CuAAC.

OC, PI, and their derivates were characterized by Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy (NMR), Fourier-Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR), Matrix-assisted Laser Desorption/Ionization Time-of-Flight Mass Spectrometer (MALDI ToF-MS), Thermogravimetric Analyzer (TGA), and Differential Scanning Calorimetry (DSC). According to analysis, the synthesis of end-functionalized OC, the linker, and end-functionalized PI with the linker were all successfully conducted.

Tämä diplomityö käsitteli biosynteettisen oligoselluloosan (OC) ja kaupallisen polyisopreenin (PI) päätemuokkausta uuden kestävän hiilihydraattipohjaisen lohkopolymeerin syntetisoimiseksi. Lohkopolymeeri muodostetaan päätemuokatuista OC:sta ja PI:stä kupari (I) katalysoidulla atsidi/alkyynisykloadditiolla. Lohkopolymeerin itsejärjestäytyminen on monipuolinen konsepti funktionaalisten nanorakenteiden suunnitteluun materiaalitieteessä, nanolääketieteessä ja nanoteknologiassa. Hiilihydraattipohjainen lohkopolymeeri, joissa sokeriryhmä tuottaa korkean hydrofiilisyyden kasvattaen lohkopolymeerin vuorovaikutusparametria, itsejärjestäytyy pienellä määrällä toistoyksiköitä. Faasierottuneen nanorakenteen koko lähestyy 10 nm:ä.

Työn kokeellinen osa pohjautuu työn ensimmäisessä osassa esitettyyn teoriaan. OC päätefunktionalisoitiin propargyyliamiinilla selektiivisesti selluloosaketjun pelkistyvästä päästä. 6-atsidoheksaanihappo (linkkeri) syntetisoidaan PI-pään päätefunktionalisointia varten. PI:n hydroksyyli-ryhmä ketjun toisesta tai molemmista päistä reagoi linkkerin kanssa. Päätefunktionalisoidut polymeerilohkot mahdollistavat tulevan lohkopolymeeri-synteesin kupari (I) katalysoidulla atsidi/alkyynisykloadditiolla.

OC, PI ja niiden johdannaiset karakterisoitiin ydinmagneettisella resonanssispektroskopialla (NMR), Fourier-muunnos infrapunaspektroskopialla (FT-IR), matriisiavusteisella laser-desorptio/ionisaatio-lentoaika massaspektrometrillä (MALDI ToF-MS), lämpögravimetrisella analysaattorilla (TGA) ja differentiaalisella pyyhkäisykalorimetrialla (DSC). Analyysien mukaan linkkeri-molekyyli ja johdannaiset syntetisoitiin onnistuneesti.