Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-4704
Authors: Wiss, Kerstin T.
Title: Synthetic routes toward functional block copolymers and bioconjugates via RAFT polymerization
Online publication date: 31-Oct-2012
Year of first publication: 2012
Language: english
Abstract: Synthetic Routes toward Functional Block Copolymers and Bioconjugates via RAFT PolymerizationrnSynthesewege für funktionelle Blockcopolymere und Biohybride über RAFT PolymerisationrnDissertation von Dipl.-Chem. Kerstin T. WissrnIm Rahmen dieser Arbeit wurden effiziente Methoden für die Funktionalisierung beider Polymerkettenenden für Polymer- und Bioanbindung von Polymeren entwickelt, die mittels „Reversible Addition-Fragmentation Chain Transfer“ (RAFT) Polymerisation hergestellt wurden. Zu diesem Zweck wurde ein Dithioester-basiertes Kettentransferagens (CTA) mit einer Aktivestereinheit in der R-Gruppe (Pentafluorphenyl-4-phenylthiocarbonylthio-4-cyanovaleriansäureester, kurz PFP-CTA) synthetisiert und seine Anwendung als universelles Werkzeug für die Funktionalisierung der -Endgruppe demonstriert. Zum Einen wurde gezeigt, wie dieser PFP-CTA als Vorläufer für die Synthese anderer funktioneller CTAs durch einfache Aminolyse des Aktivesters genutzt werden kann und somit den synthetischen Aufwand, der üblicherweise mit der Entwicklung neuer CTAs verbunden ist, reduzieren kann. Zum Anderen konnte der PFP-CTA für die Synthese verschiedener Poly(methacrylate) mit enger Molekulargewichtsverteilung und wohl definierter reaktiver -Endgruppe verwendet werden. Dieses Kettenende konnte dann erfolgreich mit verschiedenen primären Aminen wie Propargylamin, 1-Azido-3-aminopropan und Ethylendiamin oder direkt mit den Amin-Endgruppen verschiedener Peptide umgesetzt werden.rnAus der Reaktion des PFP-CTAs mit Propargylamin wurde ein Alkin-CTA erhalten, der sich als effizientes Werkzeug für die RAFT Polymerisation verschiedener Methacrylate erwiesen hat. Der Einbau der Alkin-Funktion am -Kettenende wurde mittels 1H und 13C NMR Spektroskopie sowie MALDI TOF Massenspektroskopie bestätigt. Als Modelreaktion wurde die Kopplung eines solchen alkin-terminierten Poly(di(ethylenglykol)methylethermethacrylates) (PDEGMEMA) mit azid-terminiertem Poly(tert-butylmethacrylat), das mittels Umsetzung einer Aktivester-Endgruppe erhalten wurde, als kupferkatalysierte Azid-Alkin-Cycloaddition (CuAAC) durchgeführt. Die Aufarbeitung des resultierenden Diblockcopolymers durch Fällen ermöglichte die vollständige Abtrennung des Polymerblocks 1, der im Überschuss eingesetzt wurde. Darüber hinaus blieb nur ein sehr kleiner Anteil (< 2 Gew.-%) nicht umgesetzten Polymerblocks 2, was eine erfolgreiche Polymeranbindung und die Effizienz der Endgruppen-Funktionalisierung ausgehend von der Aktivester--Endgruppe belegt.rnDie direkte Reaktion von stimuli-responsiven Polymeren mit Pentafluorphenyl(PFP)ester-Endgruppen, namentlich PDEGMEMA und Poly(oligo(ethylenglykol)methylethermethacrylat), mit kollagen-ähnlichen Peptiden ergab wohl definierte Polymer-Peptid-Diblockcopolymere und Polymer- Peptid-Polymer-Triblockcopolymer unter nahezu quantitativer Umsetzung der Endgruppen. Alle Produkte konnten vollständig von nicht umgesetztem Überschuss des Homopolymers befreit werden. In Analogie zu natürlichem Kollagen und dem nicht funktionalisierten kollagen-ähnlichen Peptid bilden die PDEGMEMA-basierten, entschützten Hybridcopolymere Trimere mit kollagen-ähnlichen Triple-Helices in kalter wässriger Lösung, was mittels Zirkular-Dichroismus-Spektroskopie (CD) nachgewiesen werden konnte. Temperaturabhängige CD-Spektroskopie, Trübungsmessungen und dynamische Lichtstreuung deuteten darauf hin, dass sie bei höheren Temperaturen doppelt stimuli-responsive Überstrukturen bilden, die mindestens zwei konformative Übergänge beim Aufheizen durchlaufen. Einer dieser Übergänge wird durch den hydrophoben Kollaps des Polymerblocks induziert, der andere durch Entfalten der kollagen-ähnlichen Triple-Helices.rnAls Ausweitung dieser synthetischen Strategie wurde homotelecheles PDEGMEMA mit zwei PFP-Esterendgruppen dargestellt, wozu der PFP-CTA für die Funktionalisierung der -Endgruppe und die radikalische Substitution des Dithioesters durch Behandlung mit einem Überschuss eines funktionellen AIBN-Derivates für die Funktionalisierung der -Endgruppe ausgenutzt wurde. Die Umsetzung der beiden reaktiven Kettenenden mit dem N-Terminus eines Peptidblocks ergab ein Peptid-Polymer-Peptid Triblockcopolymer.rnSchließlich konnten die anorganisch-organischen Hybridmaterialien PMSSQ-Poly(2,2-diethoxyethylacrylat) (PMSSQ-PDEEA) und PMSSQ-Poly(1,3-dioxolan-2-ylmethylacrylat) (PMSSQ-PDMA) für die Herstellung robuster, peptid-reaktiver Oberflächen durch Spin Coaten und thermisch induziertes Vernetzen angewendet werden. Nach saurem Entschützen der Acetalgruppen in diesen Filmen konnten die resultierenden Aldehydgruppen durch einfaches Eintauchen in eine Lösung mit einer Auswahl von Aminen und Hydroxylaminen umgesetzt werden, wodurch die Oberflächenhydrophilie modifiziert werden konnte. Darüber hinaus konnten auf Basis der unterschiedlichen Stabilität der zwei hier verglichenen Acetalgruppen Entschützungsprotokolle für die exklusive Entschützung der Diethylacetale in PMSSQ-PDEEA und deren Umsetzung ohne Entschützung der zyklischen Ethylenacetale in PMSSQ-PDMA entwickelt werden, die die Herstellung multifunktioneller Oberflächenbeschichtungen z.B. für die Proteinimmobilisierung ermöglichen.
Efficient methods for the functionalization of both ends of a polymer chain suitable for polymer and bioconjugation were developed for polymers prepared via reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization. For this purpose, a dithioester-based chain transfer agent (CTA) with an activated ester moiety in the R-group, namely pentafluorophenyl-(4-phenylthiocarbonylthio-4-cyanovalerate) (PFP-CTA), was synthesized and its application as universal tool for the functionalization of the -end-group was demonstrated. On the one hand, it was shown, how this PFP-CTA can be used as precursor for the design of other functional CTAs via straightforward aminolysis of the activated ester, and thus reduces the synthetic effort usually associated with the development of a new CTA. On the other hand, the PFP-CTA could be employed for the synthesis of different poly(methacrylate)s with narrow molecular weight distribution and well-defined reactive -end-groups. This chain end could then be converted successfully with different primary amines such as propargyl amine, 1-azido-3-aminopropane and ethylene diamine, or directly with the amine end-groups of different peptides.rnVia reaction of the PFP-CTA with propargylamine, an alkyne-CTA was obtained, which proved to be an efficient tool for RAFT polymerization of different methacrylates. The incorporation of the alkyne functionality at the -chain end was confirmed via 1H and 13C NMR spectroscopy as well as MALDI TOF mass spectroscopy. As a proof of principle, the conjugation of such an alkyne- terminated poly(diethylene glycol methyl ether methacrylate) (PDEGMEMA) with an azide-terminated poly(tert-butyl methacrylate), which was obtained via conversion of an activated ester end-group, was conducted via copper-catalyzed azide alkyne cycloaddition (CuAAC). Isolation of the resulting diblock copolymer via precipitation allowed for complete separation from building block 1, which was used in excess. Moreover, only a very small amount (< 2wt.-%) of unreacted building block 2 was left, which demonstrates a successful polymer conjugation reaction and the efficiency of the end-group functionalization using the activated ester -end-group.rnDirect conversion of pentafluorophenyl (PFP) ester-functionalized stimuli-responsive polymers, namely PDEGMEMA and poly(oligoethylene glycol methyl ether methacrylate), with collagen-like peptides, resulted in well-defined polymer-peptide diblock copolymers as well as polymer-peptide-polymer triblock copolymers with nearly quantitative conversion in terms of end-group conjugation. All the products could be separated completely from the remaining excess of homopolymer. In analogy to natural collagen and pure collagen-like peptide, the PDEGMEMA-based deprotected hybrid copolymers formed trimers containing collagen-like triple-helices in cold aqueous solution, which was confirmed via circular dichroism (CD) spectroscopy. Temperature-dependent CD spectroscopy, turbidimetry, and dynamic light scattering indicated that they self-assembled into double stimuli-responsive superstructures at higher temperatures, which underwent at least two conformational transitions upon heating, one of them being induced by the hydrophobic collapse of the polymer blocks, and the other one by the unfolding of the collagen-like triple-helices.rnAs expansion of this synthetic strategy, homotelechelic PDEGMEMA with two PFP ester end-groups was prepared by using the PFP-CTA for the functionalization of the -end-group and radical substitution of the dithioester -end-group via excessive treatment with a functional derivative of AIBN. The conversion of both reactive chain ends with an N-terminus of a peptide segment resulted in a peptide-polymer-peptide triblock copolymer.rnFinally, the inorganic-organic hybrid materials PMSSQ-poly(2,2-diethoxyethyl acrylate) (PMSSQ-PDEEA) and PMSSQ-poly(1,3-dioxolan-2-ylmethyl acrylate) (PMSSQ-PDMA) could be applied for the production of robust peptide-reactive surfaces via spin-coating and thermally induced crosslinking. After acidic deprotection of the acetal moieties in these films, the resulting aldehyde groups could be converted with a variety of amines and hydroxylamines via simple solution dipping, allowing for modification of the surface hydrophilicity. Moreover, based on the different stability of the two types of acetal groups compared herein, deprotection procedures for the exclusive deprotection of the diethyl acetals in PMSSQ-PDEEA and their conversion without deprotection of the cyclic ethylene acetals in PMSSQ-PDMA could be developed, which enables the preparation of multifunctional surface coatings, e.g. for protein immobilization
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-4704
URN: urn:nbn:de:hebis:77-32470
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: In Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: 165 S.
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