Click Chemistry as Efficient Ligation Strategy for Complex Macromolecular Architecture and Surface Engineering

Click chemistry was utilized as ligation strategy for the synthesis of cyclic polymers, surface modification of large microspheres and iron oxide particles. The broad spectra of this universal and powerful tool in complex macromolecular architecture and surface-functionalization is presented. Cyclic polystyrene was synthesized by the combination of Reversible Addition Fragmentation Chain Transfer (RAFT) Polymerization and the copper-catalyzed Huisgen [2+3] cycloaddition click reaction. ThereforeClick chemistry was utilized as ligation strategy for the synthesis of cyclic polymers, surface modification of large microspheres and iron oxide particles. The broad spectra of this universal and powerful tool in complex macromolecular architecture and surface-functionalization is presented. Cyclic polystyrene was synthesized by the combination of Reversible Addition Fragmentation Chain Transfer (RAFT) Polymerization and the copper-catalyzed Huisgen [2+3] cycloaddition click reaction. Therefore, an azido dithiobenzoate click RAFT agent was employed as chain transfer agent in the RAFT polymerization of styrene resulting in low molecular weight azido-terminated polymers. The exchange of the dithio moiety of the polymeric chains was carried out by using an alkyne-modified initiator, leading to a heterotelechelic linear polymer precursor for the click cyclization. The properties of the macrocyclic polymer, as compared to the linear counterpart were investigated. The combination of several analytic methods proved the cyclic structure. From the viscosity measurements in the good solvent THF a contraction factor of g´ = [eta]cyc/[eta]lin =0.70-0.74 was calculated. This value is consistent with the theoretically calculated value g´=0.67 for theta-conditions. Surface modification of large poly(divinylbenzene) microspheres (pDVB, 1.3 mikrom) was undertaken with two different strategies, on the one hand with Huisgen [2+3] cycloaddition reaction and on the other hand with thiol-ene click chemistry. The pDVB microspheres have a thin surface layer consisting of partially crosslinked and swellable poly(divinylbenzene) and contain vinyl groups on their surfaces which are accessible for modification, i.e. direct surface modification via “grafting to” techniques. The RAFT technique was used to synthesize SH-functionalized poly(N-isopropylacrylamide) (pNIPAAm-SH) polymers to generate surface-modified microspheres via thiol-ene reaction. Surface-sensitive characterization methods were used to identify the characteristic polymer shell on the outer layer. The visualization of the particles was carried out with Scanning Electron Microscopy (SEM). Suspension studies of the microspheres demonstrate an appealing gain of hydrophilicity when grafted with pNIPAAm45 and therefore could be suspended in water after surface modification. This observation was supported by a turbidimetric study. In an alternative approach, multifunctional azido-functionalized microspheres were prepared via the thiol-ene reaction of 1-azido-undecan-11-thiol with residual double bonds on the surface and subsequent 1,3 Huisgen dipolar cycloaddition reaction. These surface-modified particles are grafted with poly(hydroxyethyl methacrylic)acid (pHEMA). Grafting of hydrophilic polymers to hydrophobic particles can truly enhance the suspension properties of the particles in aqueous environment. Finally, magnetite Fe3O4 nanoparticles were surface-modified by the Huisgen [2+3] cycloaddition reaction. A versatile biomimetic anchor, dopamine, was used to stabilize and concomitantly functionalize the particles. An alkyne-functionalized dopamine derivative was synthesized leading to multifunctionalized stable Fe3O4 nanoparticles. Surface modification was carried out with azide-endgroup modified polyethylene glycol (PEG). Furthermore, visualization of the surface-modified particles was accomplished by reaction with an azido-modified Rhodamine derivative and investigated with confocal fluorescence microscopy. With this approach, hydrophobic Fe3O4 nanoparticles can be converted into watersoluble particles. Furthermore the hydrophilic PEG-coating leads to a biocompatible shell. In general, all these new applications show the versatility of click chemistry and broaden the scope of alternative and easy approaches for surface modification strategies and for the access towards complex macromolecular architecture.show moreshow less
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)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.show moreshow less

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Metadaten
Institutes:Chemie
Author: Anja Goldmann
Title Additional (German):Click Chemie als Effiziente Ligationsstrategie für die komplexe Makromolekulare Architektur und Oberflächenmodifikation
Advisor: Anja Goldmann
Granting Institution:Universität Bayreuth,Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften
Date of final exam:23.02.2010
Year of Completion:2009
SWD-Keyword:Macrocyclische Verbindungen; Mikropartikel; Nanopartikel
Tag:Click Chemie; Makrocyclen; Mikropartikel; Nanopartikel; Oberflächenfunktionalisierung
Click chemistry; macrocycles; microparticles; nanoparticles; surface functionalization
Dewey Decimal Classification:540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
URN:urn:nbn:de:bvb:703-opus-6790
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):30.04.2010