Abstract:
In der vorliegenden Arbeit werden neue Konzepte für Stufenwachstumspolymerisationen im Bereich segmentierter Copolymere und Polymer-Peptide Materialien vorgestellt. Hierfür werden effiziente thermische sowie lichtinduzierte Reaktionen, u.a. Diels-Alder (DA) Reaktionen, als Plattform für Polymerisations- und bioorthogonale Reaktionen verwendet. Zusätzlich wird eine reversible ortsaufgelöste Oberflächenfunktionalisierung mit speziellen Peptiden gezeigt. Zunächst werden Stufenwachstumspolymerisationen durchgeführt, wobei zwei verschiedene DA Reaktionen mit AA/BB-Monomersystemen angewandt werden, um die daraus resultierenden Stufenwachstumspolymere als Templat für die reversible Additions-Fragmentierungs Kettenübertragungs (RAFT) Polymerisation einzusetzen. ... mehrIm Falle der lichtinduzierten DA Reaktionen werden difunktionale ortho-Methyl Benzaldehyd Monomere in Kombination mit Difumaraten Monomeren unter UV-Lichteinstrahlung polymerisiert. Bei der Polymerisation werden multiple Trithiocarbonat Gruppen in die Wiederholeinheit und in das Rückgrat des Polymers eingebaut, welche zuvor im Difumarat Monomer vorhanden sind. Dadurch kann das Stufenpolymer ohne Postmodifikation direkt als Templat für die RAFT Polymerisation eingesetzt werden, wodurch segmentierte Copolymere generiert werden. In einer detaillierten Studie werden das Stufen- sowie das RAFT-Polymer in Kooperation mit Prof. D´hooge von der Universität Gent in in silico Berechnungen untersucht um einen tieferen Einblick in den Polymerisationsprozess zu gewinnen. Des Weiteren können die Berechnungen fundamentale molekulare Eigenschaften der verschiedenen Polymere bestimmen, z.B. die Verteilung der RAFT-Gruppen im Polymer nach der RAFT Polymerisation. Zusätzlich können die Simulationen die experimentellen Parameter für die Polymerisation optimieren, da durch eine Nebenreaktion während des lichtinduzierten Stufenwachstums die Stöchiometrie der Monomere angepasst werden muss. In einem zweiten Stufenwachstumsprozess, ebenfalls ein AA/BB Monomersystem, wird eine thermisch induzierte DA Reaktionen von Dicyclopentadienen und analogen Difumaraten durchgeführt um wohldefinierte Stufenwachstumspolymere zu erzeugen. Hier zeigt der Stufenwachstumsprozess keine Nebenreaktionen und die Effizienz des Systems spiegelt sich in der einfachen Prozedur wider, u.a. durch den simplen Reaktionsaufbau, redundantem Katalysator und Reaktion bei Raumtemperatur. Wie im Falle des lichtinduzierten Systems, wird das thermisch generierte Stufenpolymer als Templat für eine RAFT Polymerisation eingesetzt um wohldefinierte segmentierte Copolymere mit hochmolekularen Spezies zu erhalten.
Im zweiten Teil werden Cystein-reiche Domänen (CRDs) als funktionelle Einheit für Stufenwachstumspolymerisation und ortsaufgelöste Oberflächenmodifikation verwendet. CRDs sind kurze Peptide, die mutiple Cysteineinheiten tragen und in der Lage sind intra- oder intermolekulare Disulfidebindungen zu bilden. Diese Disulfidbildungen liegen in einem sensiblen Gleichgewicht vor, welches, abhängig von einem Stimulus oder von den Umgebungsbedingungen, zwischen den Thiolen und den Disulfiden schalten kann (Disulfid-Reshuffling). In der Natur tritt ein Disulfid-Reshuffling von CRDs in einem Stufenwachstums-prozess von Minikollagenen auf, welcher von einem enzymatischen Stimulus ausgelöst wird. Dieser natürliche Stufenwachstumsprozess soll adaptiert werden, indem CRDs einerseits analog für synthetische Stufenwachtumsprozesse verwendet werden, und andererseits um als Entwicklungsmotiv für ortsaufgelöste funktionale Oberflächen zu fungieren. Im Falle der Stufenwachstumsprozesse sollen Polymere mit je zwei CRD-Endgruppen hergestellt werden, die durch Disulfid-Reshuffling eine Stufenwachtsumspolymerisation auslösen. Im ersten Schritt werden die CRDs oxidativ intramolekular gefaltet um die Thiole vor Nebenreaktionen zu schützen. Dann werden an die gefalteten CRD-Einheiten orthogonalen Ankergruppen angebracht, die für die Kopplung an das Polymer geeignet sind. Gleichzeitig werden Polymere mit dem entsprechenden Gegenstück hergestellt. Um die Ligationsmethode zwischen Polymer und Peptid zu prüfen, werden die funktionalen CRDs mit Kleinmolekülen in bioorthogonalen Reaktionen eingesetzt, u.a. DA Reaktionen, Kupfer-katalysierte Azid-Alkin Cycloaddtionen (CuAAC) und Nitril-Imin mediierte Tetrazol-En Cycloadditionen (NITEC). Nach der erfolgreichen Kleinmolekülstudie, werden diese auf polymere Systeme übertagen.
Nachdem die Funktionalisierung von CRDs erfolgreich durchgeführt wurde, werden CRDs als reversible Funktionalisierungseinheit für Oberflächenmodifikationen verwendet, wobei hier lichtinduzierte Reaktionen und das Disulfid-Reshuffling angewandt werden. Hierzu wird lichtinduziert im ersten Schritt eine aus Polyethylenglykol bestehende CRD abweisende Schicht auf der Oberfläche angebracht um im zweiten Schritt die CRDs kovalent und ortsaufgelöst auf den nicht CRD-abweisenden Stellen zu immobilisieren. In der nächsten Stufe wird eine speziell funktionalisierte CRD durch Disulfid-Reshuffling aufgebracht, die entsprechend in einem ähnlichen reoxidativen Verfahren wieder von der Oberfläche entfernt wird. Diese speziell funktionale CRD ist mit einer Gruppe versehen, die durch Flugzeit-Sekundärionen Massenspektrometrie (ToF-SIMS) selektiv detektiert werden kann. Nach dem Schreib- bzw. Löschprozess kann die Bildgebung durch ToF-SIMS das erfolgreiche Beschreiben bzw. Entfernen der speziell funktionalen CRD erfolgreich darstellen.
Abstract (englisch):
In the present work, novel avenues to step-growth (SG) polymerization processes are developed in the field of segmented copolymer design as well as polymer-peptide materials. Therefore, highly efficient thermally or photo-induced reactions, such as Diels-Alder (DA) reactions as platforms for polymerization and bioorthogonal reactions, are employed. In addition, spatially resolved surface functionalization with specific peptides is demonstrated in a reversible fashion.
First, SG polymerization is conducted by exploiting two different DA reactions using an AA/BB monomer system and subsequently employing these SG polymers as precursors for reversible addition fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization. ... mehrIn case of the photo-induced DA reaction, difunctional ortho-methyl benzaldehydes are utilized in combination with difumarates effecting a DA based SG polymerization upon irradiation with UV-light. Having incorporated a trithiocarbonate moiety within the difumarate monomer, the SG polymer features multiple RAFT groups in the backbone. Thus, the SG precursor polymer is readily available as multi-chain transfer agent for subsequent RAFT polymerization affording segmented copolymers with high molecular weights. In an in-depth study, the SG and the RAFT polymers are investigated – in collaboration with the team of Prof. D´hooge from Ghent University – by in silico calculations to gain a deeper insight into the polymerization processes. Furthermore, these calculations provide access to fundamental molecular characteristics of the obtained polymers, e.g. the distribution of the RAFT group in the polymer chain after the RAFT polymerization. In addition, simulations enable the optimization of experimental parameters, since a side reaction during the photo-induced SG polymerization requires careful adjustment of the monomer stoichiometry. In a second DA based SG system – also an AA/BB monomer system – a thermally induced DA reaction of a difunctional cyclopentadienyl monomer and a difumarate, bearing RAFT groups, yields well-defined SG polymers. Here, the absence of any side reaction, the facile procedure at ambient temperature with no need of catalysts or complex reaction setup underpins the powerful reaction protocol. In a similar fashion compared to the photo-induced system, the SG polymers are employed in a subsequent RAFT polymerization obtaining segmented copolymers with high molecular weights.
In the second part of the current thesis, cysteine-rich domain (CRD) peptides are exploited as synthetic tool for SG polymerization as well as for encoding CRDs to surfaces in a spatially-resolved fashion to bring the complexity of SG polymerization to the next level. CRDs bear multiple cysteine units which are capable to form intra- or intermolecular disulfide bonds in an equilibrium between disulfides and thiols (disulfide reshuffling). Such a disulfide reshuffling process is known in nature, where ,-CRD-functional proteins as end-groups of minicollagens undergo an SG polymerization triggered by an enzymatic stimulus.1 Here, the disulfide reshuffling is adapted in a synthetic SG polymerization mimicking its archetype in nature and as encoding tool to create functional spatially-resolved surfaces by photo-induced ligation chemistry. The ,-functional polymers as macromonomer, decorated with CRDs at their chain termini, undergo SG polymerization by disulfide reshuffling of the terminal CRD units. To obtain such a macromonomer, the CRDs need to be coupled to a polymer: In the first step, the CRDs are folded in a mild reoxidative procedure, forming disulfides to protect the thiols. In subsequent reactions, functional anchor sites for highly efficient bioorthogonal reactions are introduced to the CRDs by active ester chemistry. To assess the applicability and reactivity of the bioorthogonal reactions, the functional CRDs are coupled to small organic compounds in DA reactions, nitrile-imine mediated tetrazole-ene cycloadditions (NITEC), and copper-catalyzed azide-alkyne cycloadditions (CuAAC). After successfully application of the CRDs in bioorthogonal reaction protocols with small molecules, the functional CRDs reactions are translated to polymeric systems.
Having established the functionalization protocols of CRDs, CRDs are employed as a reversible functionalization platform in surface encoding using a combination of photo-induced chemistry (NTIEC) and a disulfide reshuffling protocol. Here, CRDs are immobilized onto tetrazole functional surfaces by NITEC in a spatially-resolved fashion. By writing CRD repellent areas onto the surface, an inverse CRD pattern is obtained in a two-step process. Furthermore, specifically modified CRD peptides are immobilized onto the surface by disulfide reshuffling. In a similar fashion, the CRDs are released from the surface under mild reoxidative conditions. The second functional CRD species is readily available to be detected in in-depth surface analysis by time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS). Here, the coded and decoded surfaces are characterized and imaged by ToF-SIMS, illustrating the successful writing and erasing of the second CRD peptide derivative on and from the surface, respectively.
