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Thesis (Ph. D.)--University of Texas at Austin, 2001. / Vita. Includes bibliographical references. Available also from UMI/Dissertation Abstracts International.

Dans ce travail, nous choisissons, dans l'optique de mieux comprendre le rôle joué par les éthers de cellulose dans les mortiers monocouches, d'utiliser la rhéomètrie pour identifier les mécanismes d'action de ces molécules au sein d'une pâte de ciment. Nous développons ainsi les protocoles et l'analyse associée nous permettant, à partir de mesures macroscopiques, d'affiner notre compréhension de ces molécules à une échelle microscopique. Puis, nous extrapolons de nos résultats les conséquences d'une modification du dosage ou des paramètres moléculaires de l'éther dans le cas du mortier monocouche et de sa mise en œuvre. Dans une première partie, nous étudions l'influence de l'ajout d'éthers sur la viscosité du fluide interstitiel d'une suspension cimentaire et le rôle de ce paramètre sur la rétention d'eau. Dans une deuxième partie, nous étudions l'effet des éthers de cellulose sur le seuil d'écoulement et la déformation critique de pâtes de ciment et le rôle de ces paramètres sur la capacité d'adhésion du mortier. Dans une troisième partie, nous étudions l'effet des éthers de cellulose sur la viscosité d'une pâte de ciment et le rôle de ce paramètre sur la facilité de lissage / We choose in this work to use rheology to understand the role of cellulose ethers in render mortars and identify their mechanisms of action in a cement paste. We develop some protocols and their analysis to improve, from macroscopic measurements, our understanding of these molecules at a microscopic scale. We then extrapolate from our results the consequences of a change in amount, nature or chemical structure of the ether on the render mortar fresh properties. In a first part, we study the influence of ethers on the viscosity of a cement paste interstitial fluid and the effect of this viscosity on water retention. In a second part, we study the effect of cellulose ethers on the yield stress and critical deformation of cement pastes and the role of these rheological parameters on the properties of the render mortar. In a third part, we focus on the influence of cellulose ethers on the viscosity of cement pastes and the role of this parameter on the application easiness of the render mortar

Thesis (Ph. D.)--Institute of Paper Chemistry, 1940. / Includes bibliographical references (p. 96-97).

Thesis (Ph. D.)--Institute of Paper Chemistry, 1950. / Bibliography: leaves 143-146.

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Neuartige Cellulosederivate werden ausgehend von kommerziellen Celluloseethern synthetisiert. Aufgrund der guten Löslichkeit der Celluloseether in polaren Lösungsmitteln erfolgt eine homogene Reaktionsführung, wodurch eine regelmäßige Verteilung der Sulfatgruppen entlang der Polymerkette gewährleistet wird. Durch Variation der Reaktionsparameter wie Sulfatierungsmittel, Lösungsmittel, Reaktionszeit und -temperatur erfolgte die Synthese zahlreicher Celluloseethersulfate mit unterschiedlichen Eigenschaften bezüglich Sulfatierungsgrad und kinematischer Viskosität. Durch Bestimmung des Schwefelgehaltes und entsprechender Berechnungen konnten die Anzahl der Sulfatgruppen im Molekül (DSSul) ermittelt werden, wobei die Werte für die synthetisierten Proben im Bereich zwischen DSSul = 0.1 bis DSSul = 2.7 lagen. Der Abbau der Polymerkette wurde ebenfalls durch die Reaktionsbedingungen gesteuert, sodass sowohl Produkte mit hohen (1698 mm2/s) als auch sehr niedrigen (2 mm2/s) kinemtischen Viskositäten resultierten. Wasserlöslichkeit der Produkte wurde durch Trübungsmessungen von 1%igen wässrige Lösungen und der daraus erhaltenen geringen Trübungswerte (NTU < 10) ermittelt. Die Funktionalisierung der Celluloseether mit Sulfatgruppen konnte mittels spektroskopischer Methoden nachgewiesen werden. In 13C-NMR-Spektren von Hydroxypropylcellulosesulfaten wurden zusammen-hängende strukturelle Veränderungen mit dem Anstieg des DSSul der Produkte korreliert. Durch charakteristische Signale im Bereich der Ether-Kohlenstoffatome und deren Verschiebung wurde belegt, dass die Sulfatierung des Celluloseethers an den freien Hydroxylgruppen der Etherseitenkette erfolgte. Mittels FT-RAMAN-Spektroskopie konnten für Sulfatgruppen charakteristische Banden der in den Spektren der sulfatierten Celluloseether nachgewiesen und zugeordnet werden. Aufgrund der ionischen Sulfatgruppen dissoziieren die Celluloseethersulfate in Wasser in geladene Polymerketten. Dadurch ist in Gegenwart von kationischen Polyelektrolyten (polyDADMAC) die Bildung von Polyelektrolytkomplexen in Form von Kapseln und Folien/Membranen möglich. Die Fähigkeit solcher Polyelektrolytkapseln aus Celluloseethersulat und polyDADMAC zu Verkapselung von Substanzen und deren anschließende Freisetzung wurde am Beispiel der Verkapselung des Fluoreszenzfarbstoffes Rhodamin B gezeigt. Mittels fluoreszenzspektroskopischer Messungen konnte der aus den Kapseln freiwerdende Farbstoff detektiert werden. Anhand der Messungen wurde gezeigt, dass die Farbstofffreigabe im Fall von Rhodamin B abhängig von den Probeneigenschaften ist. Durch die Wahl des Ausgangsstoffes und deren Funktionalisierung mit Sulfatgruppen kann die Farbstofffreisetzung gesteuert werden. Mit zunehmendem DSSul des Celluloseethersulfates verlängert sich die Verweilzeit des Fluoreszenz-farbstoffes in der Kapsel. Zusätzliche Funktionelle Gruppen in der Seitenkette des Ausgangsstoffes führen zu sterischen Hinderung bei der Wechselwirkung mit polyDADMAC, wodurch eine gegenseitige Durchdringung der Polymerketten bei der Ausbildung des Polyelektrolytkomplexes gehindert wird, sodass weniger kompakte Membranstrukturen der Kapseln resultieren. In Zellexperimente mit adhärenten Zelllinien an entsprechenden mit Celluloseethersulfat präpartierten Oberflächen wurde gezeigt, dass die Zelladhäsion durch den Sulfatierungsgrad der Proben beeinflusst wird. Auf Proben mit höherem Sulfatierungsgrad findet eine verbesserte Adhäsion im Vergleich zu Proben statt, die einen geringen Sulfatierungsgrad aufweisen. Demnach wird die Kompatibilität der Zellen auf solche Oberflächen durch die Erhöhung des Substitutionsgrades der Proben begünstigt.

Neuartige Cellulosederivate werden ausgehend von kommerziellen Celluloseethern synthetisiert. Aufgrund der guten Löslichkeit der Celluloseether in polaren Lösungsmitteln erfolgt eine homogene Reaktionsführung, wodurch eine regelmäßige Verteilung der Sulfatgruppen entlang der Polymerkette gewährleistet wird. Durch Variation der Reaktionsparameter wie Sulfatierungsmittel, Lösungsmittel, Reaktionszeit und -temperatur erfolgte die Synthese zahlreicher Celluloseethersulfate mit unterschiedlichen Eigenschaften bezüglich Sulfatierungsgrad und kinematischer Viskosität. Durch Bestimmung des Schwefelgehaltes und entsprechender Berechnungen konnten die Anzahl der Sulfatgruppen im Molekül (DSSul) ermittelt werden, wobei die Werte für die synthetisierten Proben im Bereich zwischen DSSul = 0.1 bis DSSul = 2.7 lagen. Der Abbau der Polymerkette wurde ebenfalls durch die Reaktionsbedingungen gesteuert, sodass sowohl Produkte mit hohen (1698 mm2/s) als auch sehr niedrigen (2 mm2/s) kinemtischen Viskositäten resultierten. Wasserlöslichkeit der Produkte wurde durch Trübungsmessungen von 1%igen wässrige Lösungen und der daraus erhaltenen geringen Trübungswerte (NTU < 10) ermittelt. Die Funktionalisierung der Celluloseether mit Sulfatgruppen konnte mittels spektroskopischer Methoden nachgewiesen werden. In 13C-NMR-Spektren von Hydroxypropylcellulosesulfaten wurden zusammen-hängende strukturelle Veränderungen mit dem Anstieg des DSSul der Produkte korreliert. Durch charakteristische Signale im Bereich der Ether-Kohlenstoffatome und deren Verschiebung wurde belegt, dass die Sulfatierung des Celluloseethers an den freien Hydroxylgruppen der Etherseitenkette erfolgte. Mittels FT-RAMAN-Spektroskopie konnten für Sulfatgruppen charakteristische Banden der in den Spektren der sulfatierten Celluloseether nachgewiesen und zugeordnet werden. Aufgrund der ionischen Sulfatgruppen dissoziieren die Celluloseethersulfate in Wasser in geladene Polymerketten. Dadurch ist in Gegenwart von kationischen Polyelektrolyten (polyDADMAC) die Bildung von Polyelektrolytkomplexen in Form von Kapseln und Folien/Membranen möglich. Die Fähigkeit solcher Polyelektrolytkapseln aus Celluloseethersulat und polyDADMAC zu Verkapselung von Substanzen und deren anschließende Freisetzung wurde am Beispiel der Verkapselung des Fluoreszenzfarbstoffes Rhodamin B gezeigt. Mittels fluoreszenzspektroskopischer Messungen konnte der aus den Kapseln freiwerdende Farbstoff detektiert werden. Anhand der Messungen wurde gezeigt, dass die Farbstofffreigabe im Fall von Rhodamin B abhängig von den Probeneigenschaften ist. Durch die Wahl des Ausgangsstoffes und deren Funktionalisierung mit Sulfatgruppen kann die Farbstofffreisetzung gesteuert werden. Mit zunehmendem DSSul des Celluloseethersulfates verlängert sich die Verweilzeit des Fluoreszenz-farbstoffes in der Kapsel. Zusätzliche Funktionelle Gruppen in der Seitenkette des Ausgangsstoffes führen zu sterischen Hinderung bei der Wechselwirkung mit polyDADMAC, wodurch eine gegenseitige Durchdringung der Polymerketten bei der Ausbildung des Polyelektrolytkomplexes gehindert wird, sodass weniger kompakte Membranstrukturen der Kapseln resultieren. In Zellexperimente mit adhärenten Zelllinien an entsprechenden mit Celluloseethersulfat präpartierten Oberflächen wurde gezeigt, dass die Zelladhäsion durch den Sulfatierungsgrad der Proben beeinflusst wird. Auf Proben mit höherem Sulfatierungsgrad findet eine verbesserte Adhäsion im Vergleich zu Proben statt, die einen geringen Sulfatierungsgrad aufweisen. Demnach wird die Kompatibilität der Zellen auf solche Oberflächen durch die Erhöhung des Substitutionsgrades der Proben begünstigt.

Chemical modification of naturally occurring cellulose into ester and ether derivatives has been of growing interest due to inexhaustible cellulose resources, and to excellent properties and extremely broad applications of these derivatives. However, traditional esterification and etherification involve relatively harsh conditions (strongly acidic or strongly alkaline), greatly limiting the content and range of functional groups that may be installed onto the cellulose backbone. Amorphous solid dispersion (ASD) is an effective method to promote oral delivery of poorly-soluble drugs by dispersing crystalline drugs in a polymer matrix, creating drug supersaturation upon release. Cellulose 𝜔-carboxyesters have been proven to be effective ASD matrices for many different drugs; however, synthesis of such polymers involves protecting-deprotecting chemistry and one synthetic route only leads to one structure. Developing a new generation of cellulosic polymers for oral drug delivery such as ASD matrices requires new synthetic techniques and powerful tools. Olefin cross-metathesis (CM) is a mild, efficient and modular chemistry with extensive applications in organic, polymer, and polysaccharide chemistry. Successful CM can be achieved by appending olefin “handles” from cellulose esters and reacting with electron-deficient olefins like acrylic acid. Cellulose ethers have much better hydrolytic stability compared to esters and are also commercially very important. The overarching theme of this dissertation is to investigate modification of cellulose ether derivatives, and to design and synthesize effective ASD polymers by olefin CM. We first validated the strategy of performing CM by appending metathesis “handles” through etherification and then subjected these terminal olefins to various partners (acrylic acid and different acrylates). After demonstration of the concept, we applied different starting materials (e.g. ethyl cellulose, methyl cellulose, microcrystalline cellulose, and hydroxypropyl cellulose) with distinctive hydrophobicity/hydrophilicity balance. Furthermore, α,β-unsaturated CM products tended to undergo radical crosslinking through abstraction of 𝛾-protons and recombination of polymer radicals. In order to resolve this issue, we first applied post-CM hydrogenation and then explored a thiol-Michael addition to the α,β-unsaturation, which also incorporates an extra functional group through the thioether. We have successfully prepared a collection of cellulose 𝜔-carboxyether derivatives through the above-mentioned method and preliminary drug induction experiments also revealed that these derivatives hold high promise for ASD application. We also explored the possibility of conducting CM in a reverse order: i.e. appending electron-deficient acrylate groups to the polymer, then subjecting it to electron-rich small molecule terminal olefins. The failure of this metathesis approach was speculated to be due mainly to low acrylate reactivity on an already crowded polymer backbone and the high reactivity of rapidly diffusing, small molecule terminal olefins. Last but not least, we further utilized olefin CM to conjugate bile salt derivatives (e.g. lithocholic acid and deoxycholic acid) to a cellulose backbone by converting bile salts into acrylate substrates. Successful CM of bile salt acrylates to cellulose olefin “handles” further demonstrated the great versatility, excellent tolerance, and very broad applicability of this strategy. Overall, we have founded the strategy for performing successful olefin CM in many cellulose ether derivatives with acrylic acid and a variety of different acrylates. Post-CM hydrogenation efficiently removes the α,β-unsaturation and provides stable and effective cellulose 𝜔-carboxyether derivatives for ASD application. Tandem CM/thiol-Michael addition not only eliminates the crosslinking tendency but also enables an even broader library of polymer structures and architectures for structure-property investigations. We anticipate these methods can be readily adapted by polysaccharide chemists and applied with numerous complex structures, which would greatly broaden the range of cellulose and other polysaccharide derivatives for applications including ASDs, P-glycoprotein inhibition, antimicrobial, coating, and other biomedical applications. / Ph. D. / When it comes to drug administration, oral delivery is often preferred over other methods like intravenous injection since it is cheap, convenient, painless and easily conducted without requiring professional training or clinical environment. However, one of the most common issues for oral drugs to be absorbed by human body is that a large portion of drugs do not dissolve in water. An effective method to conquer this problem is to blend a properly designed polymer with the poorly dissolving drug, making the drug dissolve in water more effectively and thus be able to enter the bloodstream. Such polymers have to be safe, stable, non-toxic, and biodegradable. Cellulose is one of the most abundant polysaccharides on earth and it has inexhaustible source from wood, cotton and many other plants. Natural cellulose is a linear polymer and is highly crystalline and therefore does not tend to dissolve in water or any other simple organic solvents. Chemical modifications of cellulose to make derivatives (e.g. cellulose esters and ethers) will disrupt the crystallinity and make it more soluble and processible for many applications including coating, packaging, food and pharmaceuticals. The Edgar and Taylor groups have demonstrated that some cellulose derivatives with specific properties are very good polymer matrices to facilitate the delivery of poorly soluble drugs. These cellulose-based polymers can stabilize the active drugs, protect drug from the acidic stomach and make them more soluble in the digestive tract so they can be absorbed by human body. However, previous synthetic methods to prepare such cellulose derivatives are very timeand effort- consuming. Meanwhile, one polymer is usually not suitable for every drug since each drug will have different issues, for example different water solubility and/or stability in acidic stomach. Therefore, design and preparation of new polymers with enhanced performance is extremely desirable, which highly depends on development of new chemistry. This dissertation focuses on investigating novel chemistry to modify cellulose ethers and creating a broad range of polymer candidates for oral drug delivery. Unlike traditional methods, the new method is very mild and efficient with short reaction time, neutral pH, complete conversion and almost quantitative yield. It also allows incorporation with all kinds of functional groups to afford a variety of polymer structures. As a result, this method has enabled a library of polymers with diverse structures for drug delivery application and for structure-property relationship evaluations, which will further provide valuable information for designing nextgeneration polymers with optimized performance. The cellulose derivatives prepared in this way are also very promising for coating, food additive, and other biomedical applications.