Dokument: Sequence-controlled polymers via thiol-ene step-growth polymerization of precision macromonomers
| Titel: | Sequence-controlled polymers via thiol-ene step-growth polymerization of precision macromonomers | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=48688 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20190227-083954-8 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Gerke, Christoph [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Hartmann, Laura [Betreuer/Doktorvater] PD Dr. Schaper, Klaus [Gutachter] Prof. Dr. Becer, Remzi [Gutachter] | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 540 Chemie | |||||||
| Beschreibungen: | The inspiration from Nature’s perfection of complex macromolecules subsequently resulting in a specific function led to a pursuit of precision in artificial materials, opening the field of well-defined polymers. Biopolymers with a specific function in the living organism, such as proteins or DNA, are high molecular weight compounds which are monodisperse with a precise monomer sequence. Despite the challenges, a variety of new synthetic approaches have been developed within the last decades to synthesize well-defined polymers with either a narrow molecular weight distribution, a controlled primary structure, or even both. Whereas many approaches show high control over molecular weight distribution, the control over monomer arrangement is often only achieved to a certain extent, obtaining multiblock, alternating or gradient copolymers. Most powerful approaches towards polymers with an exact monomer arrangement are based on the multistep-growth approach, applying a stepwise coupling of single monomer units onto a supporting material, which was first introduced for the synthesis of peptides by Merrifield. However, the final molecular weight of the assembled compound is significantly below the reached molecular weight using other chain- or step-growth polymerization methods.
In this thesis, a synthetic approach is presented to further increase the molecular weight of oligoamides with a precise monomer sequence derived from a multistep-growth assembly on a solid support (solid phase synthesis (SPS)) by their subsequent polymerization. The polymerization is realized using a photoinduced thiol-ene click (TEC) coupling reaction by functionalizing the defined macromonomers from SPS with terminal thiol and alkene moieties. Applying UV irradiation, the telechelic macromonomers are subsequently polymerized in step-growth fashion. Thereby, the defined sequences from the macromonomers are translated into the final sequence of the resulting high molecular weight polymers, realizing a new class of sequence-controlled polymers. As monomer units in SPS, so-called building blocks are used which, similar to amino acids for solid phase peptide synthesis, contain an Fmoc-protected amine as well as a carboxylic acid group which allow for their iterative assembly. A library of different building blocks was successfully developed in previous studies, giving the possibility to specifically tune the backbone properties, the architecture as well as to introduce specific bioactive binding motifs in the side chain. As binding motifs, especially carbohydrates are of interest, allowing for the synthesis of well-defined glycomimetics for the investigation of carbohydrate – protein interactions. In the first part of this thesis, two sequence-defined oligoamides derived from SPS, one containing two terminal thiol moieties and the other two terminal alkene moieties, were polymerized by TEC. Using this AA/BB approach, the two macromonomers are assembled in a strictly alternating fashion, therefore forming a multiblock copolymer. Special focus was devoted to the determination of optimal reaction conditions, reaching highest possible degrees of polymerization (X ̅_n) by changing different reaction parameters. The optimized polymerization procedure was subsequently applied to polymerize four sequence-defined glycomacromonomers, carrying between one and five α-D-mannopyranoside (Man) moieties in their side-chain, with a hydrophilic spacing macromonomer, not presenting binding ligands. The achieved glycopolymers as well as the glycomacromolecules were applied in clustering and binding studies towards the Man-recognizing protein Concanavalin A (Con A) to obtain insights in multivalent binding mechanisms, especially in the effect of carbohydrate spacing introduced by the hydrophilic spacing macromonomer. With the first set of glycopolymers as well as macromonomers, only a strong correlation between Man valency and no influence of the Man spacing or the overall molecular weight on the Con A clustering or binding was observed. In the second part, the concept of subsequently polymerizing macromonomers derived from SPS via TEC in a step-growth polymerization was extended, aiming to further increase the molecular weights of the glycopolymers. Therefore, a more reactive alkene moiety for photoinduced TEC coupling as well as a dithiol-poly(ethylene glycol) (PEG(SH)2-6000) with a number average molecular weight (M ̅_n) of 6000 Da as second macromonomer were introduced, successfully increasing X ̅_n and M ̅_n of the final glycopolymers. Besides that, an additional motivation using the PEG(SH)2-6000 was to further increase the spacing between the Man binding motifs since so far no influence on Con A binding was observed when using the hydrophilic spacing blocks. Five glycomacromonomers carrying between one and three Man moieties as well as different spacing between the carbohydrates were synthesized via SPS. After their polymerization and a series of purification procedures a total of 12 different glyco(oligoamide) – PEG multiblock copolymers were obtained which were again subjected to Con A binding assays. Although the glyco(oligoamide) – PEG multiblock copolymers presented a higher amount of Man moieties in comparison to most sequence-controlled glycopolymers from the first series, significantly weaker binding affinities to Con A were observed, which can be attributed to the high molecular weight PEG block. The third part focused on the synthesis of periodic sequence-controlled polymers with a regularly recurring monomer sequence in one direction along the polymeric backbone using an AB approach by polymerizing one heterofunctionalized macromonomer in step-growth fashion performing TEC. Due to self-initiation of monomers presenting both, a thiol as well as an alkene moiety, an AB approach was so far not successful, and therefore the polymerization was limited to the use of two symmetrical, homofunctionalized monomers which do not exhibit a directional controlled incorporation into the final polymer. An uncontrolled polymerization was successfully prevented by the introduction of a nitrobenzyl based photolabile protecting group which was coupled to the reactive thiol moiety. The final thiol-protected, heterofunctionalized macromonomer was polymerized in a two-step approach, first removing the protecting group and thereby liberating the reactive thiol moiety followed by its polymerization resulting in a periodic copolymer with a directional monomer sequence along the polymeric backbone. Overall, a novel synthetic approach based on a combination of SPS and TEC step-growth polymerization towards sequence-controlled polymers was developed, thereby contributing in the field of well-defined polymers. The approach ensures control over the final polymer sequence in two levels: first, during the precise monomer arrangement in SPS and second during the specific linkage in the step-growth assembly of the defined macromonomers. The here presented novel class of sequence-controlled polymers can give, in addition to the stated glycomimetics, access to a broad range of bioactive or biomimetic polymers since a large variety of biological relevant motifs can be introduced into the macromonomer sequence via SPS. Furthermore, the TEC polymerization method tolerates various functional groups and solvents, thereby further emphasizing its great potential for application, due to only a few limitations of the polymerized macromonomers regarding their chemical nature. Besides the synthetic aspect, further insights about the effect of Man density and spacing as well as the overall molecular weight of glycomimetics towards the interaction with Con A were obtained, thereby contributing in the elucidation of specific binding mechanisms during multivalent carbohydrate – protein interactions.Die Natur dient oftmals als Vorbild für innovativen Fortschritt in vielen Bereichen der Technik, Architektur und Naturwissenschaft. Inspiriert durch komplexe, natürliche Makromoleküle, die eine spezifische Funktion erfüllen, entwickelte sich ein Streben nach Präzision in synthetischen Materialien, was schließlich zur Etablierung des Forschungsgebiets der wohldefinierten Polymere führte. Biopolymere, die als Vorbild dienen, wie zum Beispiel Proteine und DNA, sind hochmolekulare aber monodisperse Strukturen mit einer präzisen Monomeranordnung. Trotz der synthetisch anspruchsvollen Aufgabe wurde in den letzten Jahrzehnten eine Vielzahl von Synthesemethoden zur Herstellung wohldefinierter Polymere, mit einer engen Molmassenverteilung, einer definierten Monomersequenz, oder sogar beiden, entwickelt. Während mit vielen Methoden eine enge Molmassenverteilung erzielt werden kann, ist die Kontrolle der Primärstruktur oft nur zu einem geringen Maß möglich. Mit konventionellen Polymerisationsmethoden sind unter anderem Multiblock-, Alternierende- oder Gradient-Copolymere zugänglich, welche bei weitem nicht die Komplexität der natürlichen Vorbilder erreichen. Die geeignetsten Methoden zur Synthese von Polymeren mit einer definierten Monomersequenz basieren auf mehrstufigen Wachstumsreaktionen, bei denen Monomereinheiten separat an ein Trägermaterial gekuppelt werden. Mit dieser von Merrifield erstmals zur Herstellung von Peptiden entwickelten Methode kann allerdings nur ein, im Vergleich zu andren geläufigen Ketten- oder Stufenwachstumsreaktionen, niedriges Molekulargewicht erreicht werden. In dieser Dissertation wird ein Syntheseansatz zur Steigerung des Molekulargewichts von sequenzdefinierten Oligoamiden, die mittels einer mehrstufigen Wachstumsreaktion (Festphasensynthese) hergestellt werden, präsentiert, indem sie in einer anschließenden Reaktion weiter polymerisiert werden. Als Polymerisationsmethode wird eine photoinduzierte Thiol-En Kupplung gewählt, bei der durch UV Bestrahlung die terminal mit Thiol oder Alken Gruppen funktionalisierten telechelen Oligoamide in einer Stufenwachstumsreaktion weiter verknüpft werden. Bei der Polymerisation wird die definierte Monomersequenz des Oligoamids in die finale Sequenz des hochmolekularen Polymers übertragen, wodurch eine neue Klasse von sequenzkontrollierten Polymeren geschaffen wird. Während der Festphasensynthese werden sogenannte Bausteine als Monomereinheiten verwendet, welche, ähnlich zu den Aminosäuren in der Festphasen-Peptidsynthese, ein Fmoc-geschütztes Amin und eine Carbonsäure tragen und somit iterativ gekuppelt werden können. In vorherigen Projekten wurde erfolgreich eine Bibliothek von verschiedenen Bausteinen erstellt, welche es ermöglicht die Eigenschaften des Polymerrückrads, die Architektur der Oligoamide, oder die Anbringung verschiedener bioaktiver Liganden in der Haupt- oder Seitenkette gezielt zu steuern. Zur Herstellung sequenzdefinierter Glykomimetika können beispielsweise Kohlenhydrate als mögliche bioaktive Liganden in die Oligoamid-Struktur eingebracht werden, welche anschließend zur Untersuchung von Kohlenhydrat – Protein Wechselwirkung eingesetzt werden können. In dem ersten Teil der Dissertation wurden zwei mittels Festphasensynthese hergestellte sequenzdefinierte Oligoamide, eins mit terminalen Thiolen und das andere mit terminalen Alken Gruppen, durch eine Thiol-En Stufenwachstumsreaktion polymerisiert. Durch den AA/BB Ansatz werden die beiden telechelen Makromonomere streng alternierend miteinander verknüpft, wodurch sich ein Multiblock-Copolymer bildet. Der Fokus des ersten Teils lag auf der Bestimmung optimaler Reaktionsbedingungen, indem verschiedene Reaktionsparameter variiert wurden, um einen höchstmöglichen Polymerisationsgrad (X ̅_n) zu erreichen. Die optimierte Polymerisationsmethode wurde anschließend zur Polymerisation von vier sequenzdefinierten Glykomakromonomeren, die zwischen einem und fünf α-D-Mannopyranose (Man) Liganden in deren Seitenketten tragen, angewendet. Um einen Abstand zwischen den Man Liganden einzuführen wurden die Glykomakromonomere jeweils mit einem hydrophilen, unfunktionalisierten Makromonomer copolymerisiert. Die hergestellten Glykopolymere, wie auch die Glykomakromonomere, wurden anschließend in Rezeptor-Clustering und Rezeptor-Bindungsstudien mit dem Man-spezifischen Lektin Concanavalin A (Con A) getestet und somit die multivalenten Bindungsmechanismen von Kohlenhydrat – Lektin Wechselwirkungen studiert. Besonderes Interesse lag auf der Untersuchung des Einflusses des Abstands zwischen den bindenden Man Liganden, welcher durch das hydrophile, unfunktionalisierte Makromonomer eingeführt wurde. Mit der ersten Reihe von Glykopolymeren und Glykomakromonomeren wurde lediglich eine starke Korrelation zwischen der Man Valenz und kein Einfluss des Man Abstands oder des Molekulargewichts der Liganden auf Con A Clustering oder Bindung beobachtet. In dem zweiten Teil der Dissertation wurde das entwickelte Konzept der anschließenden Thiol-En Stufenwachstumsreaktion von Makromonomeren, die mittels Festphasensynthese hergestellt wurden, erweitert. Dabei wurde besonders eine weitere Steigerung der zuvor erzielten Molekulargewichte der Glykopolymere angestrebt. Aus diesem Grund wurde zum einen eine reaktivere Alken Endgruppe für photoinduzierte Thiol-En Kupplung und zum anderen ein Polyethylenglykol-dithiol (PEG(SH)2-6000) mit einer zahlenmittleren Molmasse (M ̅_n) von 6000 Da als zweites Makromonomer verwendet. Durch die beiden Veränderungen wurden erfolgreich der X ̅_n wie auch der M ̅_n der Glykopolymere weiter erhöht. Ein zusätzlicher Grund für die Verwendung des PEG(SH)2-6000 war die weitere Vergrößerung des Abstands zwischen den Man Liganden, da durch den Abstand des vorher verwendeten hydrophilen Makromonomers kein Einfluss auf die Wechselwirkung mit Con A beobachtet werden konnte. Fünf Glykomakromonomere, die zwischen einem und drei Man Liganden mit unterschiedlichen Abständen zueinander tragen, wurden per Festphasensynthese hergestellt und mit PEG(SH)2-6000 copolymerisiert. Nach der Polymerisation und einer Reihe von Aufreinigungsschritten wurden 12 verschiedene Glyko(oligoamid) – PEG Multiblock-Copolymere erhalten, welche erneut in Wechselwirkungsstudien mit dem Lektin Con A eingesetzt wurden. Trotz deutlich höherer Man Valenzen im Vergleich zu den meisten Glykopolymeren der ersten Reihe, wurden erheblich geringere Bindungsaffinitäten zu Con A bestimmt, was der hochmolekularen PEG Einheit zugeschrieben wurde. Der dritte und abschließende Teil der Dissertation beschäftigt sich mit der Synthese eines sequenzkontrollierten Polymers mit einer periodisch wiederkehrenden Monomersequenz in eine definierte Richtung entlang des Polymerrückrads. Dazu wurde anstatt eines AA/BB Ansatzes ein AB Ansatz gewählt, bei dem ein heterofunktionalisiertes Makromonomer in einer Thiol-En Stufenwachstumsreaktion polymerisiert wurde. Aufgrund der auftretenden Selbstinitiation von heterofunktionalisierten Makromonomeren, die sowohl ein reaktives Thiol als auch ein Alken tragen, war ein AB Ansatz bisher nicht durchführbar. Demzufolge war die Polymerisation lediglich auf symmetrische, homofunktionalisierte Makromonomere limitiert, da ein Einbau in eine definierte Richtung in das Polymerrückrad bei einem AA/BB Ansatz nicht möglich ist. Mit Hilfe einer auf Nitrobenzyl basierenden photolabilen Schutzgruppe, welche an die reaktive Thiol Endgruppe angebracht wurde, konnte eine unkontrollierte Initiation der Polymerisation erfolgreich verhindert werden. Das Thiol-geschützte, heterofunktionalisierte Makromonomer wurde anschließend in einem zweistufigen Prozess polymerisiert, indem zuerst die photolabile Thiol-Schutzgruppe entfernt und anschließend die Makromonomere mit beiden reaktiven Endgruppen miteinander verknüpft wurden, was zu einem periodischen sequenzkontrollierten Polymer mit einer richtungsgerechten Monomersequenz entlang des Polymerrückrads führte. Im Allgemeinen wurde eine Methode zur Synthese von sequenzkontrollierten Polymeren entwickelt, die Festphasensynthese und eine anschließende Thiol-En Stufenwachstumsreaktion miteinander verbindet, womit eine Beitrag im Bereich der wohldefinierten Polymere geleistet wurde. Mit dem Ansatz kann die Kontrolle über die Monomersequenz auf zwei Ebenen gewährleistet werden: erstens während des präzisen, schrittweisen Aufbaus in der Festphasensynthese und zweitens während der spezifischen Verknüpfung der Makromonomere in der anschließenden Stufenwachstumsreaktion. Die präsentierte neue Klasse von sequenzkontrollierten Polymeren ermöglicht es, zusätzlich zu den hier genannten Glykopolymeren, eine große Reihe bioaktiver oder biomimetischer Polymere zugänglich zu machen, da eine vielfältige Auswahl von biologisch relevanten Motiven während der Festphasensynthese in die Makromonomere eingebracht werden können. Darüber hinaus ist die entwickelte Thiol-En Stufenwachstumsreaktion tolerant gegenüber vielen funktionellen Gruppen und Lösungsmitteln. Diese geringe Limitierung in der chemischen Natur der eingesetzten Makomonomere zeigt das große Potential der vielzähligen Anwendung der Methode auf. Zusätzlich zu den synthetischen Aspekten wurden neue Erkenntnisse bezüglich des Einflusses des Abstands und der Dichte von Man Liganden, sowie des Molekulargewichts von Glykomimetika auf die Wechselwirkungen mit Con A erlangt. Mit den neuen Erkenntnissen wurde zur Aufklärung der spezifischen Mechanismen, die bei multivalenten Kohlenhydrat – Lektin Wechselwirkungen auftreten, beigetragen. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Chemie » Organische Chemie und Makromolekulare Chemie | |||||||
| Dokument erstellt am: | 27.02.2019 | |||||||
| Dateien geändert am: | 27.02.2019 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 29.08.2018 | |||||||
| Datum der Promotion: | 25.02.2019 |
