Doktorarbeit
Verzweigte Glykopolymere
Sharmila Muthukrishnan (03/2003-11/2005)
Betreuer: Axel H. E. Müller
Zusammenfassung
Lineare und verzweigte Glykopolymere eines zuckerhaltigen Acrylats, 3-O-acryloyl-1,2:5,6-di-O-isopropylidene-α-D-glucofuranose (AIGlc), wurden durch Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP) synthetisiert. Selbstkondensierende Vinylcopolymerisation (SCVCP) mit Hilfe von ATRP wurde für die Synthese von hochverzweigten Glykoacrylaten verwendet. Die erfolgreiche Synthese von linearen und verzweigten Glykoacrylaten wurde mit Hilfe von ¹H-NMR, GPC/Viskosität and MALDI-TOF Massenspektroskopie bewiesen. Die Beziehungen zwischen der Viskosität der verdünnten Lösungen und dem Molekulargewicht wurden bestimmt. Der Mark-Houwink-Exponent für verzweigte Poly(AIGlc)s variiert je nach Verzweigungsgrad typischerweise zwischen 0.28 und 0.20. Die Verzweigungsgrade (degree of branching, DB) wurden durch ¹H-NMR bestimmt und stimmen gut mit den berechneten Werten überein, was die einfache und erfolgreiche Synthese von verzweigten Glykopolymeren mit Hilfe von SCVCP beweist. Die linearen und verzweigten Polymere wurden durch Entfernung der Isopropylidenschutzgruppen in wasserlösliche Polymere überführt. Die vollständige Umsetzung wurde mit ¹H-NMR, FT-IR und GPC überprüft.
Das zuckerhaltige Methacrylat 3-O-methacryloyl-1,2:5,6-di-O-isopropylidene-α-D-glucofuranose (MAIGlc) wurde verwendet um mit Hilfe von ATRP lineare und verzweigte Glykomethacrylate darzustellen. Die Homopolymerisation ergab lineare Poly(MAIGlc)s mit kontrolliertem Molekulargewicht und Molekulargewichtsverteilung. Statistisch verzweigte Poly(MAIGlc)s wurden mit dem methacrylischen Inimer 2-(2-bromoisobutyryloxy)ethyl methacrylat (BIEM) durch SCVCP synthetisiert. Die erfolgreiche Synthese von linearem und verzweigten Poly(MAIGlc)s wurde durch GPC und GPC/Viskositätsanalysen, als auch durch ¹H-, 13C-, und 2D-NMR Messungen bewiesen. Mark-Houwink-Exponenten zwischen 0.20 und 0.34 wurden innerhalb von relativ kurzen Polymerisationszeiten (4 Stunden) erhalten, was deutlich schneller ist als für die entsprechenden Glyko-polyacrylate. Die linearen und verzweigten Poly(MAIGlc)s wurden schließlich entschützt, um wasserlösliche Glykomethacrylate zu erhalten.
Die einfache Eintopf selbstkondensierende ATRP wurde benutzt, um oberflächengepfropfte verzweigte Glykopolymere zu synthetisieren. Die hyperverzweigten Glykomethacrylate wurden ausgehend von einem Siliconwafer, der eine kovalent gebundene α-Bromoester-Initiatorschicht besaß, mit Hilfe von SCVCP des methacrylischen Inimers BIEM und des zuckerhaltigen methacrylischen Monomers MAIGlc aufgepfropft. Die Schichtdicke und die Oberflächenrauigkeit der so geschaffenen Oberflächen wurde durch Ellipsometrie und Rasterkraftmikroskopie (SFM) abgeschätzt. Beides hängt von der Katalysatormenge und dem Comonomerverhältnis, γ, ab. Im Falle der linearen Polymerbürste war die Oberfläche relativ eben und einheitlich. Die Entfernung der Isopropylidenschutzgruppen der verzweigten und der linearen Polymerbürsten ergab hydrophile Oberflächen, die mit Kontaktwinkelmessungen und DRIFT-IR untersucht wurden. Ein erheblicher Unterschied im Bromgehalt zwischen den linearen und den verzweigten Polymerbürsten wurde mit Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie (XPS) beobachtet. Dies demonstriert die Möglichkeit der Kontrolle und der Veränderung der chemischen Funktionalität der Oberfläche. Aufgrund der vorhandenen α-Bromoesterendgruppen können solche Oberflächen verändert werden und können in Zukunft für verschiedene biologische Anwendungen Verwendung finden.
Die Synthese von glykozylindrischen Bürsten ("molekulare Zuckerstäbe") mit Poly(3-O-methacryloyl-α,β-D-glucopyranose)-, (PMAGlc-) Seitenketten wurde durch die "grafting from" Methode mit Hilfe der Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP) des Monomers MAIGlc erhalten. Die Bildung von gut-definierten Bürsten mit enger Längenverteilung wurde durch GPC mit einen Lichtstreudetektor (MALS) and ¹H-NMR nachgewiesen. Die wurmähnliche Natur der glykozylindrischen Bürsten wurde durch SFM sichtbar gemacht. Die Initiatoreffektivität der initiierenden Seiten des Polyinitiators, Poly(2-(2-bromoisobutyryloxy)ethyl methacrylat) wurde durch die Abspaltung der Seitenarme vom Rückgrat durch basische Solvolyse als im Bereich von 0.23 < f < 0.38 bestimmt. Nach der Abspaltung der Isopropylidenschutzgruppen der PMAIGlc-Seitenketten zeigen SFM-, dynamische Lichtstreumessungen und Cryogene Transmissionselektronenmikroskopie aufgrund der Hydration der Zuckereinheiten eine gestreckte, wurmähnliche Struktur.
Schließlich wurden Glykomethacrylat-Hybridsterne unter Verwendung eines Makroinitiators auf Basis von Silsesquioxan-Nanopartikeln mit etwa 58 Initiatorfunktionen und MAIGlc als Monomer mit Hilfe von ATRP mit der "Core-first"-Methode synthetisiert. Wohldefinierte Glykosterne konnten durch die Beschränkung der Polymerisation auf geringe Umsätze synthetisiert werden. Die Molekulargewichte der Sternpolymere wurden durch GPC mit Viskositäts- und Lichtstreudetektoren bestimmt. Die Analyse der durch basische Solvolyse abgespaltenen Arme zeigt eine Initiatoreffektivität von 44% des silsesquioxanbasierenden Makroinitiators. Dies könnte auf die Sperrigkeit des Monomers MAIGIc als auch auf den strukturellen Einfluss des Makroinitiators zurückzuführen sein, d.h. dass manche Funktionalitäten einfacher zugänglich sind als andere. Die sphärische Morphologie der geschützten als auch der entschützten Sterne wurde durch SFM und Rasterelektronenmikroskopie (SEM) sichtbar gemacht. Solche durch ATRP dargestellten Glykopolymere mit verschiedenen verzweigten Architekturen haben eine sehr hohe Dichte an Zuckereinheiten, welche in Zukunft verändert werden können, um die multivalenten Prozesse der Natur, ihre Wechselwirkungen mit Proteinen, die Pharmakotherapie usw. aufgrund ihrer erhöhten Biokompatibilität und Hydrophilie zu untersuchen.