Anionic ring-opening polymerization of epoxides: kinetics, reactivity ratios, and renewable monomer strategies

Abstract

Anionic ring-opening polymerization (AROP) of epoxides is a fundamental method for developing innovative and customized materials. Established for more than a century, it is widely used in both industry and academia. Poly(ethylene oxide) (PEO) or poly(ethylene glycol) (PEG), with its exceptional aqueous solubility, enables the formation of amphiphilic block copolymers that compatibilize hydrophobic molecules with water. Hydrophobic and hydrophilic comonomers can be varied over a vast range towards the desired application. Statistical copolymerization of epoxides allows for combining the properties of different comonomers, with ethylene oxide commonly used due to its hydrophilic nature. In recent years, the synthesis of bio-based compounds from renewable and abundant resources has gained significant attention. Terpenoids provide an accessible platform for synthesizing a variety of glycidyl ethers, offering structural diversity and modifiability for creating customized materials. Fatty alcohols complement this by providing linear hydrophobic monomers, which can be subsequently modified if a double bond is present. The copolymerization of epoxide monomers requires detailed investigations into incorporation preferences to understand the resulting structure-property relationships. This thesis presents a comprehensive review of the existing literature on epoxide copolymerization and explores the copolymerization of various monomers suited for developing innovative materials. Particular emphasis is placed on the synthesis and inquiry of bio-based monomers. Chapter 2 provides a general introduction to copolymerization, focusing on the underlying kinetic aspects. It presents the official terminology for copolymers and reviews the commonly used but imprecise term "random copolymer", offering a more accurate definition. Distinct mathematical models applicable to describing copolymerization are discussed, along with recommendations for their use. Copolymers with a gradient distribution of comonomers are highlighted as a class at the boundary between random and block copolymers. Depending on the copolymerization method, conventional or monomer-activated anionic ring-opening polymerization, control over the incorporation preferences is allowed within certain limits. The centerpiece of this chapter represents the tables of copolymerization behavior of all available epoxide comonomer combinations gathered from the literature. Chapter 3 investigates how polymerization conditions influence the incorporation preferences of ethylene oxide (EO) and glycidyl methyl ether (GME). Copolymers of EO and GME, a “dimeric isomer” of EO, are explored as a potential alternative to PEG for biomedical applications. Variables such as solvent choice can shift the incorporation of preferences of EO and GME from a random copolymerization to one with a slight gradient. This shift is significant for synthesizing copolymers with specific monomer distributions, as anti-PEG antibodies bind to certain motifs of consecutive EO units. The crystallinity of the bulk material depends on the monomer distribution, which is crucial for applications requiring amorphous polymers, such as solid-state batteries. Chapter 4 examines the influence of copolymerization conditions on the well-established EO and propylene oxide (PO) comonomer pair, which has been used industrially for decades. Despite its decades-long use, comprehensive data on melting points and aqueous solubility are unavailable. Even small variations in incorporation preferences impact aqueous properties. PO is incorporated slower than EO, leading to pronounced gradient formations. Copolymers with a steeper gradient were better soluble in water compared to those with a smoother gradient. Chapter 5 explores bio-based terpenyl glycidyl ethers, which offer a renewable alternative to conventional petro-based monomers, contributing to the goal of decarbonizing the chemical industry. The copolymerization of short- to medium-chain acyclic terpenyl glycidyl ethers with EO was investigated. Despite the structural diversity of these monomers, similar incorporation preferences with EO were observed, although the more apolar compounds exhibited slower incorporation rates. The double bonds of the terpenyl glycidyl ethers were functionalized by thiolene click reaction using 2-mercaptoethanol as a model compound, making these materials suitable for introducing virtually any functional group for tailor-made applications. Reduction of the double bonds with diimide enabled subsequent saturation of the side chains, making these materials less prone to aging. Chapter 6 focuses on synthesizing oleyl glycidyl ether (OlGE) from oleyl alcohol and epichlorohydrin. Similar to terpenyl glycidyl ethers, monomers derived from fatty alcohols serve as valuable resources for hydrophobic monomers. Their linear structure allows saturated long-chain variants to solidify at room temperature, while medium-chain or cis-unsaturated variants remain liquid. Despite its highly apolar and bulky side chain, OlGE exhibited only a slightly lower incorporation preference when copolymerized with EO. Block and statistical copolymers of OlGE and EO were investigated for their micellization behavior. By incorporating just a few mol% of this hydrophobic comonomer with a high molar mass, a wide range of hydrophilic-lipophilic balances could be achieved. Transmission electron microscopy (TEM) and dynamic light scattering (DLS) revealed the formation of micelles, which assembled into larger aggregates. The double bond in OlGE was accessible to thiol-ene click reactions and reduction via diimide, allowing partial or complete reduction of the side chains. This modification enabled the fine-tuning of melting points to fall within the physiological range, offering customizable material properties for biomedical applications.

Die anionische ringöffnende Polymerisation (AROP) von Epoxiden ist eine wichtige Methode zur Entwicklung innovativer und maßgeschneiderter Materialien. Seit mehr als einem Jahrhundert etabliert, findet sie sowohl in der Industrie als auch in der Wissenschaft breite Anwendung. Poly(ethylenglycol) (PEG) oder auch Poly(ethylenoxid) (PEO) zeichnet sich durch seine außergewöhnliche Wasserlöslichkeit aus und ermöglicht die Herstellung amphiphiler Blockcopolymere, die hydrophobe Moleküle mit Wasser kompatibilisieren. Hydrophobe und hydrophile Comonomere können in einem breiten Spektrum variiert werden, um den Anforderungen spezifischer Anwendungen gerecht zu werden. Die statistische Copolymerisation von Epoxiden erlaubt die Kombination der Eigenschaften verschiedener Comonomere, wobei Ethylenoxid aufgrund seiner hydrophilen Natur häufig eingesetzt wird. In den letzten Jahren hat die Synthese biobasierter Verbindungen aus erneuerbaren und gut verfügbaren Ressourcen erheblich an Bedeutung gewonnen. Terpenoide bieten eine zugängliche Plattform zur Synthese einer Vielzahl von Glycidylethern, die durch ihre strukturelle Vielfalt und Modifizierbarkeit die Entwicklung maßgeschneiderter Polymere ermöglichen. Fettalkohole ergänzen dieses Spektrum durch lineare hydrophobe Monomere, die bei Vorhandensein einer Doppelbindung modifiziert werden können. Die Copolymerisation von Epoxid-Monomeren erfordert detaillierte Untersuchungen zu den Einbaupräferenzen, um die resultierenden Struktur- Eigenschafts-Beziehungen zu verstehen. Diese Dissertation bietet eine umfassende Übersicht über den aktuellen Stand der Literatur zur Epoxid-Copolymerisation und untersucht die Copolymerisation verschiedener Monomere, die sich für die Entwicklung innovativer Materialien eignen. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Synthese und Untersuchung biobasierter Monomere. Kapitel 2 gibt eine allgemeine Einführung in die Copolymerisation mit Fokus auf die zugrunde liegenden kinetischen Aspekte. Es stellt die offizielle Terminologie für Copolymere vor und setzt sich kritisch mit dem häufig verwendeten, aber unpräzisen Begriff des „statistischen Copolymers“ auseinander, indem eine genauere Definition vorgeschlagen wird. Verschiedene mathematische Modelle, die zur Beschreibung der Copolymerisation anwendbar sind, werden diskutiert, ergänzt durch Empfehlungen für deren Einsatz. Copolymere mit einer Gradientenverteilung der Comonomere werden als Klasse hervorgehoben, die an der Grenze zwischen statistischen und Blockcopolymeren liegt. Je nach Copolymerisationsmethode, konventionelle oder monomeraktivierte anionische ringöffnende Polymerisation, ist eine Steuerung der Einbaupräferenzen innerhalb bestimmter Grenzen möglich. Den Schwerpunkt dieses Kapitels bilden Tabellen mit dem Copolymerisationsverhalten aller verfügbaren Epoxid-Comonomer- Kombinationen, die aus der Literatur zusammengetragen wurden. Kapitel 3 untersucht, wie Polymerisationsbedingungen die Einbaupräferenzen von Ethylenoxid (EO) und Glycidylmethylether (GME) beeinflussen. Copolymere aus EO und GME, ein „dimeres Isomer“ von EO, werden als potenzielle Alternative zu PEG für biomedizinische Anwendungen erforscht. Variablen wie die Wahl des Lösungsmittels können die Einbaupräferenzen der Monomere EO und GME von einer statistischen Copolymerisation hin zu einer mit leichtem Gradienten verschieben. Diese Verschiebung ist besonders bedeutsam für die Synthese von Copolymeren mit spezifischen Monomerverteilungen, da Anti-PEG-Antikörper an bestimmte Motive aus aufeinanderfolgenden EO-Einheiten binden. Die Kristallinität des Polymers hängt von der Monomerverteilung ab, was entscheidend für Anwendungen ist, die amorphe Polymere erfordern, wie etwa Feststoffbatterien. Kapitel 4 untersucht den Einfluss der Polymerisationsbedingungen auf das fest etablierte Comonomerpaar EO und Propylenoxid (PO), das seit Jahrzehnten industriell genutzt wird. Trotz seiner langjährigen Verwendung fehlen umfassende Daten zu Schmelzpunkten und Wasserlöslichkeit. Selbst geringe Variationen in den Einbaupräferenzen beeinflussen die wässrigen Eigenschaften. PO wird langsamer als EO eingebaut, was zu ausgeprägten Gradientenbildungen führt. Copolymere mit einem steileren Gradienten waren besser wasserlöslich als solche mit einem gleichmäßigeren Gradienten. Kapitel 5 untersucht biobasierte Terpenylglycidylether, die eine erneuerbare Alternative zu konventionellen erdölbasierten Monomeren darstellen und somit zum Ziel der Dekarbonisierung der chemischen Industrie beitragen. Die Copolymerisation von kurz- bis mittelkettigen azyklischen Terpenylglycidylethern mit EO wurde analysiert. Trotz der strukturellen Vielfalt dieser Monomere wurden ähnliche Einbaupräferenzen mit EO beobachtet, wobei jedoch die apolareren Verbindungen langsamere Einbauraten zeigten. Die Doppelbindungen der Terpenylglycidylether wurden durch eine Thiol-En-Klick-Reaktion mit 2-Mercaptoethanol als Modellverbindung funktionalisiert, wodurch sich diese Materialien für die Einführung nahezu beliebiger funktioneller Gruppen für maßgeschneiderte Anwendungen eignen. Die Reduktion der Doppelbindungen mit Diimid ermöglichte die anschließende Sättigung der Seitenketten, wodurch diese Materialien weniger alterungsanfällig wurden. Kapitel 6 konzentriert sich auf die Synthese von Oleylglycidylether (OlGE) aus Oleylalkohol und Epichlorhydrin. Ähnlich wie Terpenylglycidylether dienen Monomere, die aus Fettalkoholen gewonnen werden, als wertvolle Ressourcen für hydrophobe Monomere. Ihre lineare Struktur ermöglicht es gesättigten langkettigen Varianten bei Raumtemperatur zu erstarren, während mittelkettige oder cis-ungesättigte Varianten flüssig bleiben. Trotz seiner stark apolaren und sterisch anspruchsvollen Seitenkette zeigte OlGE nur eine leicht geringere Einbaupräferenz in der Copolymerisation mit EO. Block- und statistische Copolymere aus OlGE und EO wurden auf ihr Mizellenverhalten hin untersucht. Durch den Einbau von nur wenigen mol% dieses hydrophoben Comonomers mit hoher molarer Masse konnte ein breites Spektrum an hydrophilen-lipophilen Verhältnissen erreicht werden. Die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und dynamische Lichtstreuung (DLS) zeigten die Bildung von Mizellen, die sich zu größeren Aggregaten zusammenschlossen. Die Doppelbindung in OlGE war für Thiol-En-Klick-Reaktionen und die Reduktion mittels Diimid zugänglich, was eine teilweise oder vollständige Reduktion der Seitenketten ermöglichte. Diese Modifikation ermöglichte das Einstellen der Schmelzpunkte, sodass sie in den physiologischen Bereich fielen und anpassbare Materialeigenschaften für biomedizinische Anwendungen boten.