Design and synthesis of application-oriented polyethers via introduction of nitrogen, fluorine or boron

Abstract

This work deals with the design, synthesis, and characterisation of application-oriented multifunctional polyethers. To this end, state of the art concepts in the areas of transfection agents, hydrate inhibitors, surface active polyfluoro-compounds, and organoborane compounds as polymerisation catalysts were developed further and applied in form of polyethers. Beginning with the theoretical background of this work, section 1 first gives a brief introduction to polyethers and their, for this work relevant, synthesis strategies. The use of organoboranes in catalytic polymerisations and their chemical versatility is discussed. In the following, further targeted applications of in this work developed polymers are introduced. This part deals on the one hand with polyelectrolytes as cationic transfection agents as well as kinetic hydrate inhibitors (KHI) in fluid applications. On the other hand, organofluorine compounds are presented in the context of their properties, ecological risks, current development, and their application as surfactants as well as surface coatings. Section 2 deals with amino-functional polyethers and is divided in their application as transfection agent and as KHI. Chapter 2.1 investigates poly(glycidyl amine)s in a biomedical context. Series of copolymers with increasing ratio of amino-functionalities were synthesised via copolymerisation of ethylene oxide (EO) and a variety of glycidyl amines. This procedure enables adjustment of the amino group density and as a direct consequence the adjustment of the charge density, which is an important factor for transfection agents. Subsequently, the polymers toxicity as well as their abilities to complex desoxyribonucleic acid (DNA), transfer it into cells and allow protein synthesis were studied. The efficiency of complexation and transportation into cells increased with decreasing size of the amine substituents. Nonetheless, the ultimate aim of protein biosynthesis using the transfected DNA was not achieved with this system. Chapter 2.2 introduces poly(glycidyl amine-N-oxide)s (PGAO) as kinetic hydrate inhibitors and chapter 2.3 develops this concept further by studying the structure-activity relationship of a variety of substituents. Both chapters begin with the synthesis of PGAO via anionic ring-opening polymerisation (AROP) and subsequent oxidation. Chapter 2.3 additionally introduces azepane glycidyl amine as a monomer for AROP. The PGAOs ability to delay gas hydrate formation and to decrease their growth rate was studied utilising a high-pressure rocking rig and a structure II hydrate-forming gas mixture. Chapter 2.2 focusses on diethylamino- and the 6-membered piperidine substituents and compares KHI-activities of homo- and blockcopolymer with polypropylene oxide as a synergistic block. Chapter 2.3 studies the influence of the substituent´s ring size (5- to 7-membered) as well as of the initiator (aromatic or aliphatic) and the necessity of the amine-oxidation itself. Section 3 presents a collaboration with the German company Merck KGaA regarding surface active polyethers, which bear degradable polyfluorinated side chains. Utilising the monomer activated anionic ring-opening polymerisation (MAROP), series of copolymers derived from epoxides bearing the polyfluorinated side chain and either hydrophilic or hydrophobic epoxides were synthesised. This yielded on the one hand amphiphilic surfactant structures, which were studied for their ability to reduce the surface tension of water. On the other hand, omniphobic copolymers were gained, which were used to coat surfaces and were studied for their repellency of liquids. Furthermore, their thermal properties were studied. Systematic variation of the comonomer ratio allowed tuning of the surface activity properties. In situ 1H NMR kinetic studies revealed a weak gradient in the polymer microstructure. In regard to the MAROP used in the previous section, section 4 studies organoborane bearing polyethers as alternative polymerisation catalysts. Initially, double bond bearing polyethers were synthesised via AROP. These double bonds were used in hydroboration reactions to yield either boronic esters or dialkylboranes. Acidic cleavage of the boronic esters yielded boronic acids, a versatile functional group. The dialkylborane bearing polyethers were studied as a polymeric alternative of small molecule aluminium or borane catalysts in polymerisations. The scope of the polymeric catalysts was examined by synthesising amorphous poly(propylene oxide) and crystalline poly (epoxytetradecane) as representatives of polyethers as well as poly(cyclohexane carbonate). Furthermore, the recyclability of the catalyst was demonstrated.

Diese Arbeit behandelt das Design, die Synthese und die Charakterisierung von anwendungsbezogenen multifunktionellen Polyethern. Zu diesem Zweck wurden aktuelle Konzepte in den Bereichen der Transfektionsreagenzien, Hydratinhibitoren, oberflächenaktiven Polyfluorverbindungen, sowie bororganische Verbindungen als Polymerisationskatalysatoren weiterentwickelt und anhand von Polyethern praktisch umgesetzt. Abschnitt 1 erläutert die theoretischen Hintergründe dieser Arbeit. Zunächst wird eine kurze Einführung zu Polyethern und deren, in dieser Arbeit angewendeten, Synthesestrategien gegeben. In diesem Kontext wird zudem die Verwendung von Organoboranen in katalytischen Polymerisationen und ihre chemische Vielseitigkeit behandelt. Im Nachfolgenden wird auf weitere angezielte Anwendungen der in dieser Arbeit entwickelten Polyether eingegangen. Hierbei werden Polyelektrolyte anhand als kationischer Transfektionsreagenzien sowie als kinetische Hydratinhibitoren (KHI) in Flüssigkeitsanwendungen diskutiert. Nachfolgend wird auf organische Fluorverbindungen hinsichtlich ihrer Eigenschaften, Risiken, Weiterentwicklung und Anwendungen als Tenside und Oberflächenbeschichtungen eingegangen. Abschnitt 2 behandelt aminofunktionelle Polyether und ist in die Anwendungen als Transfektionsreagenzien und als KHI aufgeteilt. Kapitel 2.1 untersucht Poly(glycidylamin)e (PGA) im biomedizinischen Kontext. Durch Copolymerisation von verschiedener Glycidylaminen mit Ethylenoxid (EO) wurden Serien von Copolymeren mit steigendem Anteil an Amino-Funktionen im Polymer hergestellt. Dies ermöglichte eine direkte Beeinflussung der Aminogruppen- und damit der Ladungsdichte, was einen wichtigen Faktor für Transferreagenzien darstellt. Nachfolgend wurden diese Polymere hinsichtlich ihrer Toxizität als auch ihrer Fähigkeiten Desoxyribonucleinsäure (DNA) zu komplexieren, diese in Zellen zu transportieren und Proteinbiosynthese zu ermöglichen untersucht. Die Effizienz der DNA-Komplexierung als auch des Transports in Zellen stieg mit Abnahme der Größe der Aminsubstituenten. Nichtsdestotrotz wurde mit diesem System keine Proteinbiosynthese erreicht. Kapitel 2.2 führt Poly(glycidylamin-N-oxid)e (PGAO) als kinetische Hydratinhibitoren ein. Nachfolgend entwickelt Kapitel 2.3 das Konzept anhand verschiedener Substitutionen weiter und untersucht Struktur-Wirkungsbeziehungen. Beide Kapitel behandeln zunächst die Synthese der PGAO mittels anionischer Ringöffnungs-Polymerisation (AROP) und nachfolgender Oxidation, wobei in Kapitel 2.3 Azepanglycidylamin als Monomer vorgestellt wird. Die PGAOs wurden mittels einer Hochdruckapparatur und einer Struktur II Hydrat-formenden Gasmischung hinsichtlich ihrer Fähigkeit zur Verzögerung der Ausbildung von Gashydraten und Verringerung deren Wachstumsgeschwindigkeit untersucht. Kapitel 2.2 fokussiert sich hierbei auf Diethylamin- und den 6-gliedrigen Piperidin-Substituenten und vergleicht KHI-Aktivitäten in Homo- und Blockcopolymerstrukturen mit Polypropylenoxid als synergistischen Block. Kapitel 2.3 untersucht die Einflüsse der Ringgröße des Substituenten (5- bis 7-gliedrig), des Initiators (aromatisch oder aliphatisch) sowie die Notwendigkeit der Oxidation des Amins. Abschnitt 3 behandelt in Zusammenarbeit mit der deutschen Firma Merck KGaA hergestellte und untersuchte oberflächenaktive Polyether, die abbaubare polyfluorierte Seitenketten tragen. Mittels Monomer-aktivierter anionischer Ringöffnungs-Polymerisation (MAROP) wurden Copolymere aus Epoxiden mit fluorierten Seitenketten und aus hydrophilen oder hydrophoben Epoxiden synthetisiert. Die hierdurch einerseits entstandenen amphiphilen Tensidstrukturen wurden hinsichtlich ihrer Fähigkeit die Oberflächenspannung von Wasser zu verringern untersucht. Die andererseits hergestellten omniphoben Copolymere wurden auf Oberflächen aufgetragen und hinsichtlich ihrer Eigenschaft der Flüssigkeitsabweisung getestet. Die oberflächenaktiven Eigenschaften konnten in beiden Anwendungsgebieten direkt durch die systematische Variation der Comonomeranteile eingestellt werden. Weiterhin wurde ein schwach ausgeprägter Gradient der Copolymer-Mikrostruktur mittels in situ 1H-NMR Kinetik Studien festgestellt. Im Hinblick auf die in Abschnitt 3 verwendete MAROP wurden in Abschnitt 4 bororganische Polyether als alternative Katalysatoren untersucht. Zunächst wurden mittels AROP Doppelbindungs-funktionalisierte Polymere hergestellt. Anschließend wurden die Doppelbindungen durch Hydroborierung polymeranalog zu Borsäureestern oder Dialkylboranen umgesetzt. Die Borsäureester wurden anschließend zu Borsäuren hydrolysiert, eine vielseitig einsetzbare funktionelle Gruppe. Die Dialkylborane hingegen wurden als polymere Alternative zu niedermolekularen Aluminium- und Bor-Katalysatoren in Polymerisationen getestet. Um die Bandbreite des herstellten Katalysators zu zeigen, wurden das amorphe Polypropylenoxid und das kristalline Polyepoxytetradecan als Vertreter der Polyether sowie das Polycarbonat Poly(cyclohexancarbonat) hergestellt. Weiterhin wurde die gezeigt, dass die polymeren Katalysatoren für weitere Polymerisationen recycelt werden können.