Functionalized copolymers from macrolactones by enzymatic ring-opening polymerization

• Main Author: Ivanovski, Maja
• Other Authors: Krajnc, Peter
• Format: Master Thesis
• Language: English
• Published: M. Ivanovski 2018
• Subjects: ring-opening polymerization; macrolactones; ω-pentadecalatone; globalide; nanoparticles; Novozym 435; polimerizacija odpiranja obroča; makrolaktoni; ω-pentadekalaton; globalid; nanodelci; info:eu-repo/classification/udc/66.095.261:547-314(043.2); Varen; Antarc*; Antarctica; sami
• Online Access: https://dk.um.si/IzpisGradiva.php?id=72123; https://dk.um.si/Dokument.php?id=129536&dn=; https://plus.si.cobiss.net/opac7/bib/21934614?lang=sl

The work reported in the present thesis is focused predominantly to investigate how to synthesize random copolymers from ω-pentadecalatone (ω-PDL) and globalide (Gl) by enzymatic ring-opening polymerization (eROP). The reason for choosing this specific theme, i.e. "Functionalized copolymers from macrolactones by enzymatic ring-opening polymerization", was to explore a relatively new concept, in which two cyclic esters (macrolactones) – ω-PDL and Gl were synthesized by a combination of eROP and thiol-ene click reaction using biocatalyst Novozym 435 (lipase B from Candida antarctica). The aim was to position the newborn copolymer from ω-pentadecalactone and globalide among other biomaterials, identify possible applications and prepare nanoparticles that can be used in drug delivery systems. Random copolymers PPDLx-r-PGly with different feed ratios were successfully synthesized and later modified via thiol-ene click reaction when using BAET as a suitable compound for this polymeric functionalization, due to its thiol functionality. Boc-amino deprotection lasted and at the end, graft-copolymers were obtained (PPDLx-r-(PGly-g-PBLGz). Characterization methods were performed on GPC and NMR. The yield for all obtained random copolymers ranged between 67% and 88% and Mn between 14 000 g/mol and 45 000 g/mol depending on feed ratio of random copolymers. Meanwhile, the calculated yield for obtained grafted-copolymers ranged between 63% and 95%. Mn detected by GPC was around 7 000 g/mol for both grafted-copolymers (PPDL90(PGl10-PBLGz) and PPDL50(PGl50-PBLGz)) and Mw between 14 000 g/mol and 21 000 g/mol. Thermal analyses were performed on TGA and DSC. TGA showed that obtained PPDLx-r-PGly copolymers start to decompose at around 400 °C and grafted PPDLx-r-(PGly-g-PBLGz) copolymers at around 250 °C. DSC showed that PPDL and PGl are semicrystalline polymers with Tm ranging between (95 and 96 °C) for PPDL and (41 and 42 °C) for PGl. AFM technique was used for nanoparticles characterization. The resulting surface and deep resolution of PPDL50(PGl50-PBLGz) nanoparticles was between (2 to 88.8 nm) and PPDL10(PGl90-PBLGz) between (2 nm to 94.4 nm). V zadnjih desetletjih so polimeri postali eden najpomembnejših in nepogrešljivih delov našega življenja in okolja. Spodaj predstavljena magistrska naloga se osredotoča na polimere in poliestre zlasti na alifatske poliestre, prav zaradi njihovega širokega spektra uporabe in različnih oblik. V prvih dveh poglavjih naloge je bila pozornost namenjena opisu polimerov - velikih molekul (makromolekul), izdelanih iz številnih manjših molekul alifatskih poliestrov, ki so najbolj razširjeni biološko razgradljivi polimeri uporabljeni v različnih panogah, in nestrupenih encimov, ki jih lahko recikliramo in so okolju prijazni biokatalizatorji, ki se uporabljajo pri različnih kemijskih reakcijah, kot je na primer encim Candida antarctica (CALB), bolje znan kot Novozym 435. V prvih dveh poglavjih je tudi opisana in natančneje predstavljena polimerizacija odpiranja obroča (ROP). Ta predstavlja sintezno pot za številne industrijsko pomembne in učinkovite polimere, zlasti tiste, ki vsebujejo heteroatome. Sami smo se osredotočili na encimsko polimerizacijo odpiranja obroča (eROP) z zgoraj omenjenim encimom CALB. Prav tako so v drugem poglavju predstavljene lastnosti dveh cikličnih makrolaktonov, ω-PDL in Gl, ki predstavljata osrednji pojem magistrske naloge. Poli(ω-PDL) je polikristalnični polimer, alifatski poliester, pridobljen iz zlahka dostopnega monomera, ki je v literaturi naveden ω-pentadekalakton. Makrolakton ω-PDL je naravno nastajajoči makrocikličen polimer, znan po tako sladkem kot tudi lesnem vonju. Je 77% varen, nestrupen in mogoče ga je pridobiti iz korenine Angelice archangelica. PGl je biokompatibilni in netoksični polimer, proizveden iz monomera globalida, ki je nenasičen 15-členski makrolakton z dvojno vezjo v svoji strukturi. V tretjem poglavju so predstavljeni cilji raziskave. Glavni cilj in namen naloge je usmerjen predvsem v raziskave in razvoj funkcionaliziranih kopoliestrov, pridobljenih iz zgoraj omenjenih cikličnih makrolaktonov, ω-PDL in Gl. In kot prva stopnička do našega cilja je bila sinteza naključnih kopolimerov iz ω-PDL in Gl, (PPDLx-r-PGly) z encimsko polimerizacijo odpiranja obročev (eROP) z različnimi masnimi deleži. Četrto poglavje obravnava eksperimentalni del, ki je osredotočeno predvsem na serijo meritev in poizkusov za celotno sintezno pot. Opisani so materiali in instrumenti, kot je gelska izključitvena kromatografija (GPC), jedrska magnetna resonanca (NMR), termogravimetrija (TGA), diferenčna dinamična kalorimetrija (DSC) in mikroskop na atomsko silo (AFM). Pogoji, pod katerimi so bili izvedeni poizkusi, postopek sinteze in karakterizacije so podrobno razloženi prav v tem poglavju. Peto poglavje vključuje izvedbo same sinteze in karakterizacije, njeno analizo ter analizo termičnih lastnosti. Rezultati raziskav in eksperimentiranja so predstavljeni v grafikonih in iz njih so izvlečeni ustrezni sklepi. Zadnje, šesto poglavje, poudarja in povzema pomembne zaključke. Namreč, v skladu s to raziskavo se lahko novorojeni kopolimer iz ω-PDL in Gl skupaj uspešno pozicionira med druge biomateriale. Raziskana je bila tudi identifikacija nekaterih možnih aplikacij novonastalega kopolimera, kar do sedaj še ni bilo raziskano, tako da ta raziskava posega popolnoma na novo področje. Prav tako bi se lahko pripravili tudi nanodelci, ki bi se lahko uporabljali v sistemih za izdajanje zdravil, kar je odlična iztočnica za nadaljnje raziskave.