Authors:	Nieberle, Jörg
Title:	Hyperbranched polyglycerols as building blocks for complex amphiphilic structures: synthesis, characterization and applications
Online publication date:	10-Apr-2012
Year of first publication:	2012
Language:	english
Abstract:	Among hyperbranched polymers, polyglycerol is one of the most promising and commonly used macromolecules due to its biocompatibility and versatility. However, the synthesis of high molecular weight polyglycerols still involves many intricacies and has only been understood to a limited extent. Furthermore, only few complex structures like star or block copolymers incorporating polyglycerol have been realized so far. Particularly biocompatible block copolymers are considered promising candidates for biomedical applications.rnThe scope of this thesis was the enhancement of the synthetic process leading to polyglycerol derivatives which implies improved molecular weight control for a broad molecular weight range as well as the assembly of more complex structures like amphiphilic block copolymers. Further insight into the relation between reaction solvent, degree of deprotonation during the ring-opening multibranching polymerization of glycidol and the characteristics of the obtained polymers were achieved within the scope of this work. Based on these results, a novel concept for the preparation of hyperbranched polyglycerols with molecular weights up to 20,000 g/mol was developed, applying a two step synthesis pathway. Starting from a partially deprotonated TMP core, low molecular weight hb-PGs were prepared using the known synthetic protocol that has been established since the late 1990ies. In a subsequent reaction sequence, these well defined polymers were used as hyperbranched macroinitiator cores in order to obtain high molecular weight hb-PGs with remarkably low polydispersity (Mw/Mn < 1.8). Molecular weight control was shown to be excellent and undesired low molecular weight side products were absent. Furthermore, the technique of continuous spin fractionation has been discovered as an efficient method for polyglycerol work-up to remove quantitatively residual monomer- and oligomer traces from hb-PG compositions to result in samples with significantly reduced polydispersities. Based on these results the synthesis of amphiphilic block copolymers containing hydrophilic hyperbranched polyglycerol blocks and linear, apolar poly(propylene oxide) blocks has been significantly improved and augmented to hb-PG-b-l-PPO-b-hb-PG ABA block copolymers. The influence of different polyglycerol-based amphiphiles on the fibril formation was studied by Thioflavin T Fluorescence showing remarkable increasing lag times which is promising in order to enhance the stability of this protein. In addition the first synthesis of poly(glyceryl glycerols) (PGG), introducing a new solketyl glycidyl ether monomer (IGG) was shown. It was furthermore demonstrated that core-functional carbosilane wedges allow application in block copolymer synthesis. Bisglycidolized amine functional polymers were successfully employed as macroinitiators for glycidol polymerization. This resulted in the first example of amphiphilic hyperbranched-hyperbranched polymer structures. Finally, it has been shown that the previously reported synthetic pathway to carboxylated hyperbranched polyglycerol polyelectrolytes can also be applied for the amphiphilic linear-hyperbranched block copolymers. These novel biocompatible and highly amphiphilic polyelectrolytes offer great potential for further investigations. rnrn Unter den hyperverzweigten Polymeren ist Polyglycerin aufgrund seiner Biokompatibilität und Vielseitigkeit eines der vielversprechendsten und am meisten verwendeten Makromoleküle. Die Synthese von hochmolekularen Polyglycerinen birgt jedoch noch immer viele Schwierigkeiten und wurde nur zu einem limitierten Teil verstanden. Hinzu kommt, dass nur wenige komplexe Strukturen wie Stern- oder Blockcopolymere, die ein hyperverzweigtes Polyglycerin enthalten, bisher realisiert wurden. Im Besonderen biokompatible Blockcopolymere werden als Kandidaten für biomedizinische Anwendungen gehandelt.rnDas Ziel dieser Dissertation war die Verbesserung des Syntheseprotokolls von Polyglycerin, um eine Molekulargewichtskontrolle über einen erweiterten Molekulargewichtsbereich zu erlangen und somit auch die Darstellung von komplexeren Strukturen wie amphiphilen Blockcopolymeren zu ermöglichen. Weiterführende Einsichten in den Zusammenhang zwischen Lösemittel, Deprotonierungsgrad während der ringöffnenden hyperverzweigenden Polymerisation von Glycidol und der Charakterisierung der erhaltenen Polymere wurden im Rahmen dieser Arbeit erreicht. Basierend auf diesen Ergebnissen konnte ein neues Synthesekonzept für die Darstellung von hyperverzweigten Polyglycerinen mit Molekulargewichten bis 20.000g/mol entwickelt werden, das einen zweistufigen Syntheseweg verwendet. Beginnend mit partiell deprotoniertem TMP Kern wurden niedermolekulare hyperverzweigte Polyglycerine hergestellt, analog des bekannten Syntheseprotokolls, das sich seit den späten 1990er Jahren etabliert hat. In einem anschließenden Reaktionsschritt wurden diese wohl definierten Polymere als Makroinitiatoren verwendet, um hochmolekulare Polyglycerine mit bemerkenswert engen Polydispersitäten (Mw/Mn < 1.8) zu erhalten. Es wurde gezeigt, dass die Molekulargewichtskontrolle exzellent ist und unerwünschte niedermolekulare Nebenprodukte vermieden werden können. Weiterhin konnte die kontinuierliche Spinfraktionierung als eine effiziente Methode zur Aufreinigung von Polyglycerin entdeckt werden um niedermolekulare Verunreinigungen wie Monomer- und Oligomerspuren des hyperverzweigten PGs quantitativ zu entfernen, was zu Proben mit signifikant reduzierter Polydispersität führt. Basierend auf diesen Ergebnissen konnte die Synthese von amphiphilen Blockcopolymeren, die hydrophile hyperverzweigte Polyglycerinblöcke und lineare hydrophobe Poly(propylenoxid)blöcke enthalten, entscheidend verbessert und auf hb-PG-b-l-PPO-b-hb-PG ABA Blockcopolymere ausgeweitet werden. Der Einfluss von verschiedenen Polyglycerin-basierenden Amphiphilen auf die Fibrillenbildung wurde mithilfe der Thioflavin T Fluoreszenz Methode untersucht. Ein bemerkenswerter Anstieg der „lag time” konnte nachgewiesen werden, was vielversprechend im Hinblick auf eine Verbesserung der Stabilität dieses Proteins ist. Zusätzlich gelang die erste Synthese von Poly(glyceryl glycerolen) (PGG), die ein neues Solketylglycidylether-Monomer (IGG) einführt. Es wurde weiterhin demonstriert, dass kernfunktionalisierte Carbosilanpolymere die Anwendung in der Blockcopolymersynthese erlauben. Bisglycidolisierte, amin-funktionalisierte Polymere wurden erfolgreich als Makroinitiatoren verwendet. Dies resultierte in einem ersten Beispiel für amphiphile hyperverzweigt-hyperverzweigte Polymerstrukturen. Abschließend konnte gezeigt werden, dass durch Carboxylierung der Glycidolblöcke amphiphile linear-hyperverzweigte Polyelektrolyte realisierbar sind, die großes Potential für weitere Untersuchungen liefern.rn
DDC:	540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-1336
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-30803
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	184 S.
Appears in collections:	JGU-Publikationen