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Development of new analytical methods to characterize the heterogeneity of cellulose acetates

Ghareeb, Hewa Othman (2012)
Development of new analytical methods to characterize the heterogeneity of cellulose acetates.
Technische Universität Darmstadt
Ph.D. Thesis, Primary publication

Copyright Information: CC BY-NC-ND 2.5 Generic - Creative Commons, Attribution, NonCommercial, NoDerivs .

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Development of new analytical methods to characterize the heterogeneity of cellulose acetates
Language: English
Referees: Rehahn, Prof. Matthias ; Busch, Prof. Markus
Date: 21 December 2012
Place of Publication: Darmstadt
Date of oral examination: 11 February 2013

Cellulose is the most abundant natural polymer worldwide. The importance of cellulose does not arise only from the outstanding physical properties of cellulose itself, but also from the fact that cellulose can be converted to yield cellulose derivatives having interesting properties. Cellulose derivatives are regarded as complex copolymers which are heterogeneous at least in molar mass and chemical composition. This heterogeneity critically affects many of the properties of these derivatives such as adhesion strength, solubility, viscoelasticity and ability to control drug release from hydrophilic tablets and needs to be investigated. Despite the large number of applications, today’s characterization strategies for cellulose derivatives include mainly characterization of molar masses and their distribution, average degree of substitution (DS) and the distribution of the substituents within the individual anhydroglucose units (AGUs), i.e. partial DS in positions of O-2, O-3, and O-6 atoms. Size exclusion chromatography (SEC) is an established technique for the characterization of molar masses and their distribution of cellulose and cellulose derivatives. NMR techniques are employed to determine the average DS and the distribution of substituents on the monomer level. However, the use of cellulose derivatives for a particular application is strongly dependent on the distribution of the substituents among the polymer chains (heterogeneity of 1st order) and along the polymer chains (heterogeneity of 2nd order). Frequently, the polymer chains are (partially) degraded by using acids or enzymes. The degradation of the sample results in a mixture of monomers and/or oligomers present in different molar ratios. The resulting products are separated and characterized subsequently in detail. For this purpose, various analytical techniques, alone or in combination, such as SEC, anion exchange chromatography (AEC), gas liquid chromatography (GLC) and mass spectrometry (MS) are employed on the hydrolyzed products to provide information on both monomer composition and the substituent distribution on the oligomer levels. This procedure yields the distribution of the differently substituted AGUs along the polymer chain (2nd order heterogeneity). In general, the information is lost on whether the different monomeric or oligomeric units result from the same or from different chains, if the sample is partially or fully degraded. Therefore, establishing methods to characterize the chemical heterogeneity of cellulose derivatives on the level of intact polymeric chains is still a highly challenging task. Gradient HPLC has been shown to be a powerful tool for separating (co)polymer molecules according to chemical composition. The separation methods allow calculating the chemical composition distribution (CCD) of the copolymers. Nevertheless, knowledge on the separation of cellulose derivatives, particularly cellulose acetates (CA), with respect to DS is very limited and attempts to perform separations of such polymers according to chemical heterogeneity are scarcely found in literature. The present research work was mainly focused on the applicability of liquid chromatography for the analysis and characterization of molecular heterogeneity of CAs. The following significant results were obtained: 1. From the synthesis, it was shown that alkaline partial saponification of a high DS CA is a suitable method for preparing CAs of different average DS without altering the degree of polymerization. The comparison of the theoretical DS-values with ones determined by 1H-NMR showed that the deacetylation reaction can be well controlled by the amount of sodium hydroxide added. 2. FTIR / ATR could be used to determine DS for very small sample amounts. This made it possible to characterize chromatographic fractions with respect to their DS. 3. From solubility tests, dimethyl sulfoxide (DMSO) and dimethylacetamide (DMAc) / lithium chloride (LiCl) were identified to dissolve the CAs, irrespective of DS. Therefore, these two solvents were utilized for chromatographic experiments. 4. An SEC method for characterization of molar masses and their distribution of the CAs in the DS-range of DS = 1.5-2.9 was developed. SEC light scattering investigations in pure DMSO and DMAc revealed aggregates which could be completely suppressed by the addition of LiCl. However, the significantly lower refractive index increment (dn/dc) of CA in DMSO as compared to DMAc made DMAc the preferred choice for SEC experiments. Samples differing in DS but being prepared from the same parent material showed nearly the same elution profile and nearly identical calibration curves, indicating that variations of the DS within the DS-range of DS = 1.5-2.9 do not alter remarkably the hydrodynamic volume. As a consequence, all the CA samples can be evaluated based on the same calibration curve, irrespective of their DS. The comparison of the true molar masses obtained by light scattering with PMMA equivalent molar masses revealed that the latter overestimated the absolute ones significantly. Therefore, correction factors were determined allowing calculating the true molar masses based on a PMMA calibration curve. 5. A gradient HPLC method for separating CAs within the DS range of DS = 1.5-2.9 was developed. By coupling liquid chromatography with infrared spectroscopy it was proved that a separation by DS was achieved not only for samples clearly differing in their average DS, but also within a single sample. Thus, the developed method for the first time allowed determination of the DS distribution of intact cellulose acetate chains, irrespective of DS. 6. Having established separations by DS and by molar mass, the correlations between DS and molar mass were examined. For this purpose, two dimensional separations were performed. First, a chromatographic separation according to DS was carried out using the gradient method developed before. The fractions, which were assumed to be homogenous in composition, were subsequently separated by SEC. The newly developed 2D LC system allowed new insights into the heterogeneity of the CAs.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Cellulose ist das häufigste natürliche Polymer. Die Bedeutung von Cellulose resultiert nicht nur aus den hervorragenden physikalischen Eigenschaften der Cellulose selbst, sondern auch aus der Tatsache, dass Cellulose zu Cellulosederivaten mit interessanten Eigenschaften umgewandelt werden kann. Cellulosederivate sind komplexe Copolymere, die zumindest in bezüglich der Molmasse und der chemischer Zusammensetzung heterogen sind. Diese Heterogenität wirkt sich kritisch auf viele der Eigenschaften aus, wie beispielweise die Haftfestigkeit, Löslichkeit, Viskoelastizität, Transparenz und die Fähigkeit der kontrollierten Wirkstofffreisetzung aus hydrophilen Tabletten. Deshalb ist die Untersuchung der Heterogenität von Cellulosederivaten von großer Bedeutung. Trotz der großen Anzahl von Anwendungen umfassen die heutige Charakterisierungsstrategien für Cellulosederivate hauptsächlich die Charakterisierung der mittleren Molmassen und Molmassenverteilungen, des mittleren Substitutionsgrades (DS) und die Verteilung der Substituenten in den einzelnen Anhydroglucoseeinheiten (AGU), d.h. die partiell Substitutionsgrade in den Positionen O-2, O-3 und O-6. Die Größenausschlusschromatographie (SEC) wird dabei zur Charakterisierung von Molmassen und deren Verteilung eingesetzt. NMR-Techniken werden verwendet, um die mittlere Substitutionsgrade und die Verteilung der Substituenten in den AGUs zu ermitteln. Jedoch ist die Eignung von Cellulosederivaten für eine bestimmte Anwendung stark abhängig von der Verteilung der Substituenten zwischen den Polymerketten (Heterogenität der ersten Ordnung) und entlang der Polymerketten (Heterogenität der zweiten Ordnung). Um Informationen zur Verteilung der Monomerbausteine zu erlangen werden Cellulodederivate oftmals (partiell) durch Verwendung von Säuren oder Enzymen abgebaut. Hieraus resultieren Mischungen von Monomeren und/oder Oligomeren in unterschiedlichen Zusammensetzungen. Die resultierenden Produkte werden getrennt und anschließend detailliert bezüglich der Zusammensetzung und der Substituentenverteilung auf die Oligomere charakterisiert, wobei verschiedene analytische Techniken, wie SEC, Anionenaustauscherchromatographie (AEC), Gas-Flüssigkeitschromatographie (GLC) und Massenspektrometrie (MS) allein oder in Kombination, eingesetzt werden. Hierdurch erhält man Informationen zur Verteilung der verschieden substituierten AGUs entlang der Polymerkette (Heterogenität der zweiten Ordnung). Durch den vollständigen oder partiellen Abbau gehen jedoch die Information darüber verloren, ob die unterschiedlichen monomeren oder oligomeren Einheiten aus der gleichen oder aus unterschiedlichen Ketten stammen. Die Charakterisierung der chemischen Heterogenität von Cellulosederivaten auf der Ebene intakter Polymerketten ist auch heute noch immer eine hochgradig herausfordernde Aufgabe. Die Gradienten-HPLC stellt ein leistungsfähiges Verfahren Tool zur Trennung von (Co)Polymeren nach der chemischen Zusammensetzung dar. Derartige Trennungen erlauben die Berechnung der chemischen Zusammensetzung Verteilung (CCD) der Copolymeren. Jedoch sind bislang Informationen zur Trennung von Cellulosederivaten, besonderes von Celluloseacetat (CA), nach dem Substitutionsgrad in der Literatur nur sehr begrenzt verfügbar. Die vorliegende Arbeit befasste sich daher hauptsächlich mit der Anwendbarkeit der Flüssigchromatographie zur Charakterisierung der molekularen Heterogenität von CAs. Hierbei konnten die folgenden wesentlichen Ergebnisse erhalten werden: 1. Bei der Synthese der CA Proben, wurde gezeigt, dass die alkalische partielle Verseifung einer CA mit hohem Substitutionsgrad ein geeignetes Verfahren zur Herstellung von CAs mit unterschiedlicher mittlerer Substitutionsgraden ohne Veränderung der Polymerisationsgrad darstellt. Der Vergleich der berechneten theoretischen Substitutionsgrade mit den durch 1H-NMR bestimmten zeigte, dass die Deacetylierungsreaktion kann durch die Menge an Natriumhydroxid kontrolliert werden. 2. Die FTIR/ATR konnte verwendet werden, um auch mit sehr geringen Probenmengen die Substitutionsgrade zu bestimmen. Hierdurch war es möglich, auch chromatographische Fraktionen bezüglich ihrer Substitutionsgarde zu charakterisieren. 3. Durch Löslichkeitstests wurden Dimethylsulfoxid (DMSO) und Dimethylacetamid (DMAc)/Lithiumchlorid (LiCl) als geeignete Lösungsmittel identifiziert um CA Proben im Bereich DS = 1,5-2,9 unabhängig von ihrem Substitutionsgrad zu lösen. Daher wurden diese beiden Lösungsmittel für chromatographische Experimente verwertet. 4. Es wurde eine SEC-Methode zur Charakterisierung der Molmassen und Molmassenverteilungen von CAs im Bereich DS = 1,5-2,9 entwickelt. Durch SEC mit Vielwinkel Lichtstreudetektion (MALLS) konnte gezeigt werden, dass in reinem DMSO und reinem DMAc Aggregate vorliegen, die durch den Zusatz von LiCl komplett unterdrückt werden können. Für die SEC-Untersuchungen wurde DMAc gegenüber DMSO bevorzugt, weil das spezifischen Brechungsindexinkrement (dn/dc) für CA in DMAc signifikant höher war als in DMSO. Proben unterschiedlicher Substitutionsgrade, die jedoch auf dem gleichen Ausgangsmaterial basierten zeigten nahezu identische Elutionsprofile und Kalibrierkurven. Dies deutet darauf hin, dass Variationen des Substitutionsgrades in den Bereich von 1,5 bis 2,9 nicht merklich das hydrodynamische Volumen verändern. Demzufolge können in diesem DS-Bereich alle Proben unabhängig vom Substitutionsgrad mittels der gleichen Kalibrierkurve ausgewertet werden. Die Vergleichbarkeit der durch Lichtstreuung erhaltenen mit den PMMA äquivalenten Molmassen zeigte, dass letztere die wahren Werten deutlich überschätzen. Deshalb wurden Korrekturfaktoren ermittelt, die innerhalb des DS-Bereiches DS = 1,5-2,9 und unabhängig vom vorliegenden DS die Bestimmung der korrekten Molmassen basierend auf einer PMMA Kalibrierkurve ermöglichen. 5. Es konnte weiterhin eine Gradienten HPLC Methode erarbeitet werden, die es erlaubt CAs im Bereich DS = 1,5-2,9 nach dem Substitutionsgrad zu trennen. Durch Kopplung der Flüssigkeitschromatographie mit der Infrarotspektroskopie konnte gezeigt werden, dass mit der Gradientenmethode nicht nur Proben, die sich in ihrer mittleren DS Werten deutlich unterscheiden, getrennt werden können, sondern dass auch innerhalb einer einzigen Probe eine Trennung nach Substitutionsgrad erfolgt. Die erarbeitete Gradientenmethode ermöglicht somit zum ersten Mal, um die experimentelle Bestimmung der Heterogenität der ersten Ordnung von intakten CAs, unabhängig von Substitutionsgrad. 6. Nachdem Trennmethoden nach Substitutionsgrad und Molmasse erarbeitet waren, konnten die Korrelationen zwischen Substitutionsgrad und Molmasse untersucht werden. Um dies zu tun, werden zweidimensionale Trennungen durchgeführt. Zuerst wurde eine chromatographische Trennung nach Substitutionsgrad unter Verwendung der neu entwickelten Gradienetenmethode durchgeführt. Die so erhaltenen Fraktionen, von denen angenommen wurde, dass sie bezüglich der Zusammensetzung homogen sind, wurden anschließend durch SEC getrennt. Diese neu entwickelte 2D-LC-Methode erlaubte neue Einblicke in die Heterogenität von CAs.

URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-33337
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 540 Chemistry
Divisions: 07 Department of Chemistry > Ernst-Berl-Institut > Fachgebiet Makromolekulare Chemie
Date Deposited: 15 Apr 2013 09:31
Last Modified: 09 Jul 2020 00:18
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3333
PPN: 38627553X
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