Doktorarbeit
Click Chemie als Effiziente Ligationsstrategie für die komplexe Makromolekulare Architektur und Oberflächenmodifikation
Anja S. Goldmann (01/2006-02/2010)
Betreuer: Axel H. E. Müller
Kurzfassung
Click-Chemie wurde als Ligations-Strategie für die Synthese von cyclischen Polymeren und zur Oberflächenmodifizierung von großen Mikrokugeln und magnetischen Eisenoxidpartikeln verwendet. Das breite Spektrum dieses universellen und leistungsstarken Instruments im Bereich der komplexen makromolekularen Architektur und Oberflächenmodifizierung ist hier dargelegt.
Cyclisches Polystyrol wurde mittels der Kombination der Reversiblen Additions-Fragmentierungs-Kettenübertragungs-Polymerisation (RAFT) und der kupferkatalysierten Huisgen [2+3] Cycloadditons Click-Reaktion synthetisiert. Ein Azido-funktionalisiertes Dithiobenzoat Click-RAFT-Agens wurde als Kettenüberträger in der RAFT Polymerisation von Styrol verwendet, die in niedermolekularen azido-terminierten Polymeren resultierte. Der Austausch der Dithio-Gruppe der Polymerkette wurde mit einem Alkin-modifizierten Initiator durchgeführt und führte zu einem heterotelechelischen linearen Polymerprecursor für die Click-Cyclisierung. Die Eigenschaften des makrocyclischen Polymers im Vergleich zum linearen Gegenstück wurden untersucht. Die Kombination aus mehreren Analytikmethoden konnte die cyclische Struktur beweisen. Aus den Viskositätsmessungen im guten Lösungsmittel THF wurde ein Kontraktionsfaktor g´ = [eta]cyc/[eta]lin = 0.70-0.74 bestimmt. Dieser Wert stimmt mit dem theoretisch bestimmten Wert g´=0.67 für theta-Bedingungen überein.
Die Oberflächenmodifizierung von großen Poly(divinylbenzol) Mikrokugeln (pDVB, 1,3 mikrom) wurde mit zwei verschiedenen Strategien durchgeführt, zum einen der Huisgen [2+3] Cycloadditionsreaktion und zum anderen mit der Thiol-en Click-Chemie. Die pDVB Mikrokugeln besitzen eine dünne Oberflächenschicht die aus teilweise vernetztem und quellfähigem Poly(divinylbenzol) besteht und darüber hinaus über Vinylgruppen auf ihren Oberflächen verfügen die für eine Modifizierung zugänglich sind, beispielsweise einer direkter Oberflächenmodifizierung durch Pfropfungstechniken (grafting-to). Die RAFT-Technik wurde benutzt um SH-funktionalisierte Poly(N-Isopropylacrylamid)-Polymere (pNIPAAm-SH) zu synthetisieren und oberflächenmodifizierte Mikrokugeln über Thiol-en-Reaktion zu generieren. Oberflächensensitive Charakterisierungsmethoden wurden zur Identifizierung der charakteristischen Polymerhülle auf der Außenschale verwendet. Die Visualisierung der Partikel wurde mit der Rasterelektronenmikroskopie (REM) durchgeführt. Suspensionsstudien der Mikrokugeln zeigen einen ansprechenden Gewinn der Hydrophilie nachdem sie mit pNIPAAm45 gepfropft wurden und somit nach der Oberflächenmodifizierung in Wasser suspendiert werden können. Diese Beobachtung wurde durch eine Trübungsstudie unterstützt. In einer alternativen Vorgehensweise wurden multifunktionelle Azido-funktionalisierte Mikrokugeln über die Thiol-En-Reaktion von 1-Azido-undecan-11-thiol mit den verbleibenden Doppelbindungen auf der Oberfläche und anschließender 1,3 Huisgen dipolarer Cycloadditionsreaktion hergestellt. Diese oberflächenmodifizierten Partikel wurden mit Poly(hydroxyethylmethacrylat) (pHEMA) gepfropft. Das Aufpfropfen von hydrophilen Polymeren auf hydrophobe Partikel kann die Suspendierungseigenschaften der Partikel im wässrigen Medium deutlich erhöhen.
Schließlich wurden Magnetit-Nanopartikel (Fe3O4) mit der Huisgen [2+3] Cycloadditionsreaktion oberflächenmodifiziert. Dabei wurde ein vielseitiger biomimetischer Anker, Dopamin, verwendet um die Partikel zu stabilisieren und gleichzeitig zu funktionalisieren. Die Synthese eines Alkin-Dopamin-Derivats führt zu multifunktionellen stabilen Fe3O4-Nanopartikeln. Die Oberflächenmodifizierung wurde mit einem Azid-funktionalisierten Polyethylenglykol (PEG) und desweiteren mit einem Azid-modifizierten Rhodamin-Derivat durchgeführt. Diese Eisenoxid-Partikel wurden mit konfokaler Fluoreszenzmikroskopie untersucht. Mit diesem Ansatz können hydrophobe Fe3O4-Nanopartikel in wasserlösliche Partikel umgewandelt und in Wasser redispergiert werden. Außerdem führt die hydrophile PEG-Schicht zu einer biokompatiblen Hülle.
Im Allgemeinen zeigen all diese neuen Anwendungen die Vielseitigkeit der Click-Chemie und erweitern die Bandbreite alternativer und einfacher Ansätze für Oberflächenmodifizierungsstrategien und den Zugang zu komplexer makromolekularer Architektur.