Untersuchung der Kinetik und Dynamik der Selbstassemblierung supramolekularer Peptidamphiphile

Abstract

Strukturell verwandte Peptidamphiphile sind in der Lage im wässrigen Medium spontan in supramolekulare Copolymere zu assemblieren. Funktionalisierte Varianten dieser Copolymere sind durch die hohe Vielfalt unterschiedlicher Anwendungsmöglichkeiten von besonderem Interesse. Für deren Entwicklung und Verständnis gehören die Morphologie, die Kinetik und die Dynamik zu den entscheidendsten Eigenschaften dieser Verbindungen. Zur Einleitung wird in Kapitel 1 die Definition supramolekularer Copolymere und deren Zusammensetzungsmöglichkeiten eingeführt. Sie werden in das Fachgebiet eingeordnet und Beispiele aus neuesten Veröffentlichungen wissenschaftlicher Literatur dargelegt. Danach wird der theoretische Hintergrund der Kinetik und Dynamik supramolekularer Polymere und deren Messmethoden beschrieben. Anhand der Verwendung dieser Methoden in aktueller Fachliteratur werden Beispiele der Erkenntnisse dieser Methoden aufgezeigt. Abschließend wird die Theorie der Lumineszenzeigenschaften organischer Chromophore beschrieben sowie der Fluoreszenz- und superaufgelösten Mikroskopie. Kapitel 3 beschreibt zunächst die Synthese verschiedener selbstassemblierender, copolymerbildender Peptidamphiphile und präsentiert verschiedene Synthesestrategien, deren Problematik und Optimierung. Zur Evaluierung der zuvor genannten Eigenschaften sind spektroskopische Sonden, die an die Peptidamphiphile angebracht werden, geeignet. So wird zusätzlich die Darstellung von funktionalisierbaren Varianten beschrieben, die die Konjugation mit den Sonden ermöglicht. Daran schließt sich die systematische Evaluierung der Morphologie und der Dynamik des Monomeraustauschs im Gleichgewicht der supramolekularen Homo- als auch Copolymere an. Die Peptidamphiphile bilden durch Selbstassemblierung in Wasser eindimensionale Nanostäbchen mit vergleichbaren Eigenschaften bekannter supramolekularer Polymere und können durch Zugabe mehrerer Komponenten Copolymere mit variabel einstellbarer Zusammensetzung bilden. Zusätzlich beleuchtet Kapitel 4 die Kinetik der supramolekularen Polymerisation eines Peptidamphiphils. Hierfür wird die Synthese eines linearen Konjugats beschrieben, dass mit einem metallorganischen Komplex funktionalisiert werden kann, der als Assemblierungsmotiv und als Sonde dient. Der besondere Fokus der Evaluierung liegt hierbei auf dem Einfluss der Probenvorbereitung der Verbindung und der Anteile organischer Lösungsmittel im wässrigen Medium der Polymerisation. Die systematische Untersuchung der konzentrationsabhängigen Assemblierung zeigt einen elongationsnukleations dominierten Mechanismus der supramolekularen Polymerisation. Darüber hinaus wurde der besondere Einfluss organischer Lösungsmittelzusätze im wässrigen Medium herausgearbeitet.

Structurally related peptide amphiphiles are able to spontaneously assemble into supramolecular copolymers in aqueous solution. Functionalized variants of these copolymers are of particular interest due to the high diversity of possible applications. For their development and understanding, morphology, kinetics and dynamics are among the most important properties of these compounds. Chapter 1 introduces the definition of supramolecular copolymers and their compositional possibilities. They are categorized in the field of research and examples of the latest publications in the scientific literature are presented. The theoretical background of kinetics and dynamics of supramolecular polymers and their measurement techniques are then described. Based on the use of these methods in current scientific literature, examples of the findings of these methods are shown. Finally, the theory of luminescence properties of organic chromophores is described as well as fluorescence and superresolution microscopy. In Chapter 3 the synthesis of various self-assembling and copolymer-forming peptide amphiphiles is described and different synthesis strategies, their problem and their optimization are presented. Spectroscopic probes attached to the compounds are suitable for evaluating the aforementioned properties. The synthesis of functionalizable derivatives that enable the conjugation with the probes is also described. This is followed by the systematic evaluation of the morphology and the dynamics of the monomer exchange in the equilibrium of the supramolecular homo- and copolymers. The peptide amphiphiles form one-dimensional nanofibers with comparable properties of known supramolecular polymers in water and can form copolymers with adjustable composition by addition of several components of different ratios. In addition, Chapter 4 examines the kinetics of the supramolecular polymerization of a peptide amphiphile. The synthesis of a linear conjugate that can be functionalized with an organometallic complex, which serves as a probe and an assembly motif, is described. The particular focus of the evaluation is on the influence of the sample preparation of the compound and the content of organic solvent in aqueous medium of the polymerization. The systematic investigation of the concentration-dependent self-assembly shows a nucleation-elongation dominated mechanism of the supramolecular polymerization process. In addition, the particular influence of organic solvent additives in the aqueous solution was worked out.