Synthesis Of Clickable Hydrogels And Linear Polymers By Type II Photoinitiation

Abstract

Son zamanlarda, fotobaşlatılmış polimerizasyon pek çok ekonomik ve ekolojik beklentiyi biraraya getirdiği için hayli ilgi çekmektedir. Oda sıcaklığında yüksek polimerizasyon hızı, düşük enerji tüketimi, çözücüsüz ortamada polimerizasyon, uygulanacak yüzey alanı ve uygulama süresinin kontrol edilebilmesi gibi avantajlar sağlamaktadır. Fotopolimerizasyon radikalik, katyonik ve anyonik olarak başlatılabilse de çok sayıda fotobaşlatıcının ve yüksek reaktivitedeki monomerlerin bulunulabilirliği açısından radikalik sistemlere daha fazla ilgi duyulmaktadır. Kontrollü radikal polimerizasyonların avantajları olarak molekül ağırlığının polimer dönüşümüyle doğrusal bağıntı içinde olması, dolayısıyla istenilen molekül ağırlığının elde edilmesi, monodisperse yakın dar bir molekül ağırlığı dağılımı elde edilmesi, zincir sonunda fonksiyonel gruplara sahip polimerler elde edilmesi (telekelik polimerler), polimer moleküler mimari yapısının kontrol edilmesi (blok kopolimerler), sayılabilir. Günümüzde kullanılan kontrollü radikal polimerizasyon metodlarının çoğu termal olarak başlatılmaktadır. Fotopolimerizasyon yönteminde ise bu amaç için ısı yerine ışık kullanılmaktadır. Basitçe ışıkla başlatılmış polimerizasyon reaksiyonlarına fotopolimerizasyon denir. Fotobaşlatıcının uygun bir dalga boyundaki ışık absorpsiyonu sonucunda oluşan primer radikaller tek fonksiyonlu monomerlerin polimerizasyonunu sağlarken çok fonksiyonlu monomerlerinde çapraz bağlı yapılara dönüştürülmesini sağlar. Fotobaşlatıcılar, radikal oluşturma mekanizmalarına göre (birinci tip fotobaşlatıcılar) ve (ikinci tip fotobaşlatılar) fotobaşlatıcılar olmak üzere iki ayrı sınıfa ayrılır. Birinci tip fotobaşlatıcılar, radikal vermek üzere doğrudan fotoparçalanmaya uğrayan çeşitli fonksiyonel gruplar içeren aromatik karbonil bileşiklerdir. Genellikle fotoparçalanma aromatik karbonil grubun yanındaki bağdan (α yarılması) gerçekleşir. İkinci tip fotobaşlatıcılar, (α yarılması) için gerekli olan yeterli enerjisine sahip olmadıkları için, ancak uygun hidrojen verici moleküllere enerji aktarımı veya bu moleküllerden hidrojen koparma sonucu radikalleri üretirler. En geniş kullanımı olan serbest radikal fotobaşlatıcılar, benzoin, benzil ketalleri, asetofenon türevleri, açilfosfin oksitler (birinci tip fotobaşlatıcılar) ve benzefenon, tiyokzanton, kinon /tersiyer amin kombinasyonlarıdır (ikinci tip fotobaşlatıcılar). UV ışığıyla fotopolimerizasyon için aktive edilen birinci tip fotobaşlatıcı bileşenleri, çok kullanışlı; fakat görünür ışık bölgesindeki kürleşmelerde yetersizlerdir. İkinci tip sistemlerde, polimerizasyonun başlaması hidrojen verici molekül üzerinde oluşan radikaller vasıtasıyla gerçekleşirken etkin olmayan ketil radikalleri birbirleriyle birleşerek ortamdan kaybolur. İkinci tip fotobaşlatıcılarda hidrojen verici moleküller olarak alkol, amin, eter ve tiyol molekülleri kullanılır. Termal polimerizasyonla karşılaştırıldığında fotopolimerizasyon oda sıcaklığında hızlı, zamansal ve mekan kontrollü olmasından dolayı büyük avantajlara sahiptir. Fakat bu avantajların yanında fotopolimerizasyonla elde edilen polimerin molekül ağırlığı, molekül ağırlık dağılımı ve fonksiyonalitesi gibi özelliklerin kontrolü mümkün değildir. Bundan dolayıda blok ve aşı gibi kopolimerlerin sentezi fotopolimerizasyonla gerçekleşmesi kısıtlıdır. Günümüzde kullanılan iniferter, nitroksitle büyütülmüş radikal polimerizasyon ve atom transfer radikal polymerizasyon (ATRP) gibi kontrollü/yaşayan termal polimerizasyon tekniklerinin fotokimyasal başlatılmış birkaç örnekleri mevcuttur. Fotokimyasal olarak başlatılan kontrollü/yaşayan polimerizasyonlarda zincir transfer ve depolimerizasyon gibi yan reaksiyonların minimize edilmesinden dolayı daha düşük molekül ağırlık dağılımına sahip polimerler elde edilmektedir. Ayrıca uygun ışık şiddeti seçilerekte hem başlatıcı konsantrasyonu hem de polimer zincirlerinin boyu ayarlanabilir. Hidrojeller, polimer ağları olarak, fiziklsel veya kimyasal olarak birbirine çapraz bağlı üç boyutlu bir yapıya sahiptir. Bu çözünmeyen çapraz bağlı yapı aynı zamanda aktif maddelerin immobilizasyonunu ve biyomoleküllerin etkinliğini maddelerin spesifik olarak salması özelliğiyle sağlar. Hidrojeller, kısmen temel ilkeler sebeplerden kısmen de geniş uygulama sebepleriden dolayı uzun yıllar boyunca büyük ilgi çekmiştir. Gerek yüksek su tutma özellikleri, gerekse de bulundukları ortamın şartlarına bağlı olarak su tutma kapasitelerinin büyük oranda değişebilmesi, hidrojellerin birçok alanda kullanımına imkan tanımaktadır. Ayrıca hidrojeller, içeriğinin yüksek su içerme özelliğinden ve buna bağlı biyolojik uyumluluğundan dolayı biyomedikal alanlarda başarılı bir şekilde kullanılmaktadır. Sentetik polimerlere dayanan hidrojeller, doğal biyomalzemelere nazaren çok yönlü kullanılabilirliği ve düşük maliyeti sayesinde çeşitli biyomedikal ve endustri alanlarında kullanılmaktadır. Özellikle PEG hidrojelleri son yıllarda toksik olmama, hidrofilik ve vücuda uyumlu yapıları nedeniyle dikkat çekmeye başlamıştır. Son yıllarda sıkça gündeme gelen, temelleri 2001 yılında Sharpless ve çalışma arkadaşları tarafından sağlamlaştırılan “klik” kimyası organik sentez dünyasına yeni bir yaklaşım getirmiştir. “Klik” kimyası Huisgen reaksiyonu da olarak bilinmektedir. “Klik” reaksiyonları terminal asetilenler ve azidler arasında gerçekleşen reaksiyonlardır. “Klik” reaksiyonlarının tercih edilir olmalarının sebepleri arasında; makul reaksiyon koşullarında gerçekleştirilebilmeleri, yüksek verim alınabilmesi, yüksek seçicilik ile gerçekleşmeleri, fonksiyonel grup çeşitliliğine olanak sağlamaları, kısa reaksiyon sürelerine sahip olmaları ve kullanılan çözücülere karşı hassas olmamaları gösterilebilir. “Klik” reaksiyonlarının uygulama alanları kullanılacak polimer tiplerine bağlı olarak çeşitlendirilebilir. Bu çalışmada, reaktif asetilen grubu içeren hidrojellerin basit ve uygun fotokimyasal yöntemiyle sentezi anlatılmaktadır. İstenilen fonksiyonel grupların varlığını kanıtlamak ve kullanılan yöntemin başarısının göstermek amaciyla model bir reaksiyon gerçekleştirildi. Böylece, azido-piren floresans molekülü antagonist “klik” bileşeni olarak kullanılarak “klik” reaksiyonuyla hidrojele konjuge edilmiştir. Ayrıca, bahsedilen sistemin lineer polimerler üzerinde uygulanabiliriliği de fotopolimerizasyon yöntemi ile elde edilen asetilen fonksiyonlu polimetilmetakrilatın bir kontrollü polimerizasyon çeşidi olan ATRP ile sentezlenip azid fonksiyonlandırılan polistiren ile blok kopolimerizasyonuyla gösterildi.

Photoinitiated polymerization is a well-known technique exploited in many technologically important areas. Compared with the corresponding thermal processes, the light induced polymerization offers a number of advantages, including rapid polymerization rates at room temperature, and spatial and sequential control of the polymerization. Despite these advantages, photoinitiated polymerization processes lack the control of the final polymer properties and structurally well-defined polymers. There currently exist only a few examples, photochemical initiation can be applied to all conventional controlled/living radical polymerizations including iniferter, nitroxide mediated radical, atom transfer radical polymerization and reversible addition-fragmentation chain transfer polymerizations. The photochemical initiation not only enables the easy control of the polymerization under ambient temperature even for heat-sensitive monomers but also tends to minimize side reactions like chain transfer or depolymerization. The concentration of initiating species and finally growing polymer chains may be conveniently adjusted by choosing appropriate light intensities. A photoinitiator or photoinitiator system is defined as a molecule or combinations of molecules that, upon absorption of light, initiate the polymerization. Photoinitiators for radical polymerization are classified as cleavage (Type I) and H-abstraction type (Type II) initiators.The majority of Type I photoinitiators are aromatic carbonyl compounds. Type II photoinitiators or bimolecular photoinitiators are photoiniating systems consist of a photoinitiator such as benzophenone, thioxanthone or quinone and a coinitiator such as alcohol or amine. Photoinitiation by these compounds is based on the reaction of their triplet (excited) states with a hydrogen donor thereby producing an initiating radical. In view of applications, the selection of the co-initiator is undoubtedly of great importance. Mostly, amines are used because of their high efficiency and their relatively low price.The bimolecular hydrogen abstracting type photoinitiating systems, acting in the visible range, are wellknown. On the other side, hydrogels as crosslinked hydrophilic polymers, are studied and synthesized by Type II photoinitiator polymerization system. Some types of hydrogels can be photopolymerized in vivo and in vitro in the presence of photoinitiators using visible or ultraviolet (UV) light. Photopolymerization is used to convert a liquid monomer or macromer to a hydrogel by free radical polymerization in a fast and controllable manner under ambient conditions. Photopolymerized hydrogels have been investigated for a number of biomedical applications. Camphorquinone in conjunction with an alcohol is a typical example for the respective system. Their functionalization opens the way to modify or to manipulate with their properties towards many fields. Herein the “Click” chemistry is chosen as an approach to modify the hydrogels after their functionalization. Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP) is among the most effective and most widely used methods of controlled radical polymerization (CRP). ATRP is an exceptionally robust way to uniformly and precisely control the chemical composition and architecture of polymers as well as the uniform growth of every polymer chain, while employing a broad range of monomers. ATRP is based on an inner sphere electron transfer process, which involves a reversible homolytic (pseudo)halogen transfer between a dormant species, an added initiator or dormant propagating chain end (R-X or R-Pn-X) and a transition metal complex in the lower oxidation state (Mtm/Ln), resulting in the formation of propagating radicals (R•) and the metal complex in the higher oxidation state with a coordinated halide ligand (e.g. X-Mtm+1/Ln). The active radicals form with a measurable rate constant of activation kact, subsequently propagate with a rate constant kp and are reversibly deactivated kdeact, but, since ATRP is a radical based process, the active species can also terminate with a rate constant kt. “Click” chemistry, one of the subjects of this thesis, is a modular synthetic approach towards the assembly of new molecular entities. This powerful strategy relies mainly upon the construction of carbon–heteroatom bonds using spring-loaded reactants. Its growing number of applications are found in nearly all areas of modern chemistry from drug discovery to materials science. The copper(I)-catalysed 1,2,3-triazole forming reaction between azides and terminal alkynes has become a standard of “click” chemistry due to its reliability, specificity and biocompatibility. By using the efficient “click” reaction, different architectures of macromolecules such as dendrimers, dendronized linear polymers, hydrogels, supra-polymers and novel conjugated polymers can be created. “Click” chemistry strategy has also been implemented for the preparation of segmented copolymers of monomers polymerizable by different mechanisms. In this thesis, a simple and convenient photochemical method of preparing hydrogels possessing reactive acetylenic sites is presented. In order to demonstrate the success of the process and confirm the presence of desired functional groups, a model reaction was performed. Thus, a fluorescent molecule, azido-pyrene was used as the antagonist “click” component and conjugated onto the hydrogel by “Click” reaction. The applicability of the described system on linear polymers was also demonstrated by click blocking of photochemically prepared acetylene functional poly(methyl methacrylate) (PMMA-Ac) with azidated polystryrene (PS-N3) prepared by means of a controlled polymerization, namely Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP).