CHEMICAL PATHWAYS FOR

Transkript

1 CHEMICAL PATHWAYS FOR GALACTOGLUCOMANNAN-BASED MATERIALS Jens Voepel AKADEMISK AVHANDLING Som med tillstånd av Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm framlägges till offentlig granskning för avläggande av teknisk doktorsexamen tisdagen den 14:e juni 2011, kl i sal F3, Lindstedtsvägen 26, KTH, Stockholm. Avhandlingen försvaras på engelska.

2 Copyright 2011 Jens Voepel All rights reserved. Paper I, II, IV: Wiley Periodicals, Inc. Paper III: American Chemical Society TRITA-CHE-Report 2011:34 ISSN ISBN

3 ABSTRACT Polysaccharides are an important resource for a variety of products, from food via fuel supply to functional materials of every kind. Due to their natural diversity they can be found in many special applications, e.g. in the biomedical sector and are the major renewable resource for materials of many kinds. Recently, a fairly unused group of polysaccharides, so called hemicelluloses, have attracted increasing attention due to their high availability and promising properties in combination with renewability and a potentially low price. This thesis presents pathways for the chemical modification of the water-soluble hemicellulose acetylated galactoglucomannan (AcGGM), enabling this raw material to be utilized in the synthetic design of new classes of materials. Based on the chemical modification of the hydroxyl groups with crosslinkable groups in combination with the naturally high hydrophilicity, synthetic pathways for the production of functional hydrogels are presented. Thanks to the great availability and the native properties of AcGGM, this material was found to be an outstanding candidate in this respect and was adjudged to be a cheap and green resource for hydrogel design. For this purpose, a three-step method was devised consisting of (1) the carbonyldiimidazole activation of primary hydroxylated vinylic compounds, (2) the substitution of hydroxyl groups of the AcGGM backbone with vinylic functions, and (3) radical crosslinking yielding a hydrophilic three-dimensional network a hydrogel. Crosslinking strategies were varied from photo-crosslinking in dimethyl sulfoxide (DMSO) to redox-initiated crosslinking in H 2 O, with the objective of adapting the synthesis to benign conditions. Varying the crosslinking species as well as the medium was found to have a significant influence on the resulting gels properties, such as swelling capacity and G-modulus. Swelling capacity could be varied between ~0.6 and ~23 times the gel s own weight and the G-modulus ranged from 0.4 to 145 kpa. AcGGM and 2-hydroxy ethyl methacrylate (HEMA) gels were studied further and evaluated for their suitability as drug delivery systems for two model drugs (caffeine and Vitasyn Blue) varying size, polarity, and hydrophilicity of the drug to be I

4 released. It was found that the gels composition as well as a second modification with maleic acid anhydride affects the release properties. Taking well-studied polysaccharide modification chemistry one step further and combining it with state of the art polymer synthesis, graft-copolymers of AcGGM were successfully synthesized via single-electron-transfer living-radical polymerization (SET-LRP). For this purpose, a macroinitiator was derived from AcGGM to enable a grafting of diverse hydrophilic and hydrophobic monomers from the AcGGM under benign conditions. Hybrid materials of the natural polymer AcGGM as a backbone with synthetic poly(methyl acrylate), poly(methyl methacrylate), poly(acrylamide), and poly(n-isopropyl acrylamide) graft-copolymers with a brush-like architecture were successfully synthesized, yielding molecular weights of up to ³ g mol -1. As expected, the solubility and thermal properties were significantly altered, opening a wider range of potential applications. We conclude that the presented chemical pathways are important steps towards a promising future for hemicelluloses as raw materials and their derivatives as shown for the resource AcGGM. Keywords: Polysaccharides, hemicelluloses, galactoglucomannan, renewable, chemical modification, hydrogels, swelling, crosslinking, release, SET-LRP, living polymerization, grafting, hybrid materials. II

5 SAMMANFATTNING Polysackarider är en viktig råvara för ett mycket stort antal produkter, från mat och bränsleförsörjning till funktionella material. Tack vare deras variationsrikedom finns många specialanvändningar, bland annat inom den biomedicinska sektorn. En i stor utsträckning oanvänd grupp av polysackarider är de så kallade hemicellulosorna som har både lovande egenskaper och hög tillgänglighet. I detta arbete har den barrvedsutvunna hemicellulosan acetylerad galaktoglukomannan (AcGGM) använts för syntetisk design av funktionella hydrogeler och ympsampolymerer. För hydrogelsyntes utvecklades en strategi bestående av tre steg: (1) aktivering av omättade primära alkoholer med karbonyldiimidazol, (2) kovalent koppling till AcGGM och (3) radikalinitierad tvärbindning av AcGGM-kedjorna för att framställa hydrogeler. Sju olika tvärbindningsmolekyler användes och tvärbindningen var antigen fotoinducerad eller redoxinitierad för att få så gynnsamma reaktionsbetingelser som möjligt. De två olika tvärbindnigsmetoderna visade sig att vara utmärkta verktyg för att variera gelegenskaper såsom svällningskapacitet och G-modul. Svällningsförmågan varierade mellan ~0.6 och ~23 gånger med avseende på gelens egen vikt och G- modulen förändrades mellan 0.4 och 145 kpa beroende på gelens tvärbindingsmetod och sammansättning. Geler baserade på AcGGM och 2-hydroxyetylmetakrylat (HEMA) utvärderades dessutom med avseende på deras potential i frisättningstillämpningar. Frisättningen av modellsubstanser med olika vikt, storlek och polaritet (koffein och Vitasyn Blue) från en rad oladdade hemicellulosabaserade hydrogeler utvärderades. Ett samband mellan sammansättning av gelerna och frisläppningen av testsubstanserna konstaterades. Även testmolekylernas storlek och polaritet påverkade frisläppningsegenskaperna. Dessutom visades att en ytterligare modifiering med maleinsyraanhydrid påverkar frisläppningen beroende på ph. En modifiering av AcGGM med Br funktioner möjliggjorde syntesen av hybridmaterial baserade på AcGGM. Ympsampolymerer skapades med singleelectron-transfer living-radical polymerization (SET-LRP) med hydrofila eller hydrofoba grenar på AcGGM via en modifiering av hemicellulosan till en makroinitiator. Ympsampolymerer av AcGGM med poly(metyl akrylat), poly(metyl metakrylat), poly(akrylamid) samt poly(n-isopropyl akrylamid) framställdes och III

6 molekylvikter på upp emot ³ g mol -1 erhölls. Som väntat förändrades både lösnings- och termoegenskaperna signifikant vilket innebär flera möjliga användningsområden. Resultaten är ett mycket viktigt steg mot en möjlig användning av material baserade på hemicellulosor i framtiden. Nyckelord: polysackarider, hemicellulosa, galaktoglukomannan, kemisk modifiering, funktionalisering, hydrogel, förnyelsebar, tvärbindning, levande radikal polymerisation, SET-LRP, ympsampolymer, hybridmaterial. IV