Diss. no. 7653 nat. sc. SFIT Zürich.

In the present thesis, the self-assembly of multi thermoresponsive block copolymers in dilute aqueous solution was investigated by a combination of turbidimetry, dynamic light scattering, TEM measurements, NMR as well as fluorescence spectroscopy. The successive conversion of such block copolymers from a hydrophilic into a hydrophobic state includes intermediate amphiphilic states with a variable hydrophilic-to-lipophilic balance. As a result, the self-organization is not following an all-or-none principle but a multistep aggregation in dilute solution was observed. The synthesis of double thermoresponsive diblock copolymers as well as triple thermoresponsive triblock copolymers was realized using twofold-TMS labeled RAFT agents which provide direct information about the average molar mass as well as residual end group functionality from a routine proton NMR spectrum. First a set of double thermosensitive diblock copolymers poly(N-n-propylacrylamide)-b-poly(N-ethylacrylamide) was synthesized which differed only in the relative size of the two blocks. Depending on the relative block lengths, different aggregation pathways were found. Furthermore, the complementary TMS-labeled end groups served as NMR-probes for the self-assembly of these diblock copolymers in dilute solution. Reversible, temperature sensitive peak splitting of the TMS-signals in NMR spectroscopy was indicative for the formation of mixed star-/flower-like micelles in some cases. Moreover, triple thermoresponsive triblock copolymers from poly(N-n-propylacrylamide) (A), poly(methoxydiethylene glycol acrylate) (B) and poly(N-ethylacrylamide) (C) were obtained from sequential RAFT polymerization in all possible block sequences (ABC, BAC, ACB). Their self-organization behavior in dilute aqueous solution was found to be rather complex and dependent on the positioning of the different blocks within the terpolymers. Especially the localization of the low-LCST block (A) had a large influence on the aggregation behavior. Above the first cloud point, aggregates were only observed when the A block was located at one terminus. Once placed in the middle, unimolecular micelles were observed which showed aggregation only above the second phase transition temperature of the B block. Carrier abilities of such triple thermosensitive triblock copolymers tested in fluorescence spectroscopy, using the solvatochromic dye Nile Red, suggested that the hydrophobic probe is less efficiently incorporated by the polymer with the BAC sequence as compared to ABC or ACB polymers above the first phase transition temperature. In addition, due to the problem of increasing loss of end group functionality during the subsequent polymerization steps, a novel concept for the one-step synthesis of multi thermoresponsive block copolymers was developed. This allowed to synthesize double thermoresponsive di- and triblock copolymers in a single polymerization step. The copolymerization of different N-substituted maleimides with a thermosensitive styrene derivative (4-vinylbenzyl methoxytetrakis(oxyethylene) ether) led to alternating copolymers with variable LCST. Consequently, an excess of this styrene-based monomer allowed the synthesis of double thermoresponsive tapered block copolymers in a single polymerization step. / Die Selbstorganisation von mehrfach thermisch schaltbaren Blockcopolymeren in verdünnter wässriger Lösung wurde mittels Trübungsphotometer, dynamischer Lichtstreuung, TEM Messungen, NMR sowie Fluoreszenzspektroskopie untersucht. Die schrittweise Überführung eines hydrophilen in ein hydrophobes Blockcopolymer beinhaltet ein oder mehr amphiphile Zwischenstufen mit einstellbarem hydrophilen zu lipophilen Anteil (HLB). Dies führt dazu, dass die Selbstorganisation solcher Polymere in Lösung nicht nur einem Alles-oder-nichts-Prinzip folgt sondern ein mehrstufiges Aggregationsverhalten beobachtet wird. Die Synthese von doppelt thermisch schaltbaren Diblockcopolymeren und dreifach thermisch schaltbaren Triblockcopolymeren wurde durch sequenzielle RAFT Polymerisation realisiert. Dazu wurden zweifach TMS-markierte RAFT Agentien verwendet, welche die Bestimmung der molaren Masse sowie der verbliebenen Endgruppenfunktionalität direkt aus einem Protonen NMR Spektrum erlauben. Mit diesen RAFT Agentien wurde zunächst eine Serie von doppelt thermisch schaltbaren Diblockcopolymeren aus Poly(N-n-propylacrylamid)-b-Poly(N-ethylacrylamid), welche sich lediglich durch die relativen Blocklängen unterscheiden, hergestellt. In Abhängigkeit von der relativen Blocklänge wurde ein unterschiedliches Aggregationsverhalten der Diblockcopolymere in verdünnter wässriger Lösung beobachtet. Des Weiteren wirken die komplementär TMS-markierten Endgruppen als NMR-Sonden während der schrittweisen Aggregation dieser Polymere. Reversible, temperaturabhängige Peakaufspaltung der TMS-Signale in der NMR Spektroskopie spricht für eine Aggregation in gemischte stern-/blumenartige Mizellen, in denen ein Teil der hydrophoben Endgruppen in den hyrophoben Kern zurückfaltet. Obendrein wurden dreifach thermisch schaltbare Triblockcopolymere aus Poly(N-n-propylacrylamid) (A), Poly(methoxydiethylen glycol acrylat) (B) und Poly(N-ethylacrylamid) (C) in allen möglichen Blocksequenzen (ABC, BAC, ACB) durch schrittweisen Aufbau mittels RAFT Polymerisation erhalten. Das Aggregationsverhalten dieser Polymere in verdünnter wässriger Lösung war relativ komplex und hing stark von der Position der einzelnen Blöcke in den Triblockcopolymeren ab. Besonders die Position des Blocks mit der niedrigsten LCST (A) war ausschlaggebend für die resultierenden Aggregate. So wurde oberhalb der ersten Phasenübergangstemperatur nur Aggregation der Triblockcopolymere beobachtet, wenn der A Block an einem der beiden Enden der Polymere lokalisiert war. Wurde der A Block hingegen in der Mitte der Polymere positioniert, entstanden unimere Mizellen zwischen der ersten und zweiten Phasenübergangstemperatur, welche erst aggregierten, nachdem der zweite Block (B) seinen Phasenübergang durchlief. Die Transportereigenschaften dieser Triblockcopolymere wurden mittels Fluoreszenzspektroskopie getestet. Dazu wurde die Einlagerung eines hydrophoben, solvatochromen Fluoreszenzfarbstoffes, Nilrot, in Abhängigkeit der Temperatur untersucht. Im Gegensatz zu den Polymeren mit der Blocksequenz ABC oder ACB, zeigten die Polymere mit der Sequenz BAC eine verminderte Aufnahmefähigkeit des hydrophoben Farbstoffes oberhalb des ersten Phasenübergangs, was auf die fehlende Aggregation und die damit verbundenen relativ kleinen hydrophoben Domänen der unimolekularen Mizellen zwischen der ersten und zweiten Phasenübergangstemperatur zurückzuführen ist. Aufgrund des zunehmenden Verlustes von funktionellen Endgruppen während der RAFT Synthese von Triblockcopolymeren wurde ein neuartiges Konzept zur Einschrittsynthese von mehrfach schaltbaren Blockcopolymeren entwickelt. Dieses erlaubt die Synthese von mehrfach schaltbaren Diblock- und Triblockcopoylmeren in einem einzelnen Reaktionsschritt. Die Copolymeriation von verschiedenen N-substituierten Maleimiden mit einem thermisch schaltbaren Styrolderivat (4-Vinylbenzylmethoxytetrakis(oxyethylene) ether) ergab alternierende Copolymere mit variabler LCST. Die Verwendung eines Überschusses dieses styrolbasierten Monomers erlaubt ferner die Synthese von Gradientenblockcopolymeren in einem einzelnen Polymerisationsschritt.

Die vorliegende Arbeit beschäftigen sich mit Azobenzol-Photoschaltern zur Steuerung (makro)molekularer Prozesse. Aufgrund ihrer lichtinduzierten geometrischen Strukturänderung hat diese Substanzklasse als Steuereinheit Einzug in mehrere Bereiche der Lebens- und Materialwissenschaften gehalten. Vorteile wie die hohe Stabilität, gute Ansprechbarkeit und etablierte Synthesemethoden werden von einer großen Vielfalt an Derivaten vervollständigt. Als eines der populärsten photochromen Systeme bieten Azobenzole eine zuverlässige Grundlage für die Entwicklung neuer molekularer Maschinen. Der erste Teil dieser Arbeit hat die Vergrößerung der geometrischen Änderung des Schaltvorgangs zum Ziel. Dafür werden Azobenzole in starre Makromoleküle und makromolekulare Aggregate eingebaut, die der Bewegung der kleinen Wiederholungseinheiten aufgrund der gewählten Architektur folgen und somit idealerweise die Umwandlung der aufgenommenen Energie in mechanische Arbeit erhöhen. Dabei werden die Grundlagen der Photochromie, der Azobenzol-Photochemie sowie allgemeine Strategien zur Steigerung geometrischer Änderungen in molekularen Systemen vorgestellt. Des Weiteren wird das Design, die Synthese und die Charakterisierung eines durch Licht ansprechbaren Polymeraggregats beschrieben. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der reversiblen Bildung von ionischen Substanzen. Geladene Spezies sind von großer Wichtigkeit für die Aufrechterhaltung verschiedener Körperfunktionen in Lebewesen, können jedoch auch Adsorptions- und bakterizide Eigenschaften auf Oberflächen regulieren. Basierend auf dem Modell des Spiropyrans wird der theoretische Hintergrund für die Herstellung eines Azobenzol-Äquivalents vorgestellt. Daten aus DFT-Rechnungen werden in Modellverbindungen umgewandelt, die mittels NMR-Analyse untersucht werden. Abschließend wird eine vielversprechende Zielstruktur eines durch Licht steuerbaren dynamisch kovalenten Zwitterions vorgestellt. / The present thesis employs azobenzene photoswitches to control (macro)molecular processes. As a light-responsive molecule undergoing a large geometrical change upon E/Z photoisomerization, azobenzenes have found their way into multiples areas of life and material sciences. Advantages such as high stability, good addressability, and well-established synthesis methods are accompanied by a large variety of derivatives. Being one of the most popular photochromic compounds, azobenzenes provide a reliable basis for the development of new responsive systems. The first part of this work is aimed at the amplification of the switching dimensions by incorporating azobenzene into rigid macromolecules and macromolecular aggregates. Based on the polymer architecture, the motion of the small responsive repeating units is transferred to the entire macromolecule, which ideally helps to increase the conversion of consumed energy into mechanical work. Following a small overview about the basics of photochromism and azobenzene photochemistry, general strategies to increase geometrical changes in molecular systems are presented. Furthermore, the design and synthesis as well as the characterization of a light-responsive polymer aggregate that exhibits a large geometrical change upon isomerization is described. The second part of this work deals with the reversible formation of ions. Besides their great importance for vital functions in living organisms, adsorption characteristics as well as bactericidal properties can be regulated by ionic modifications on surfaces. Based on the model of spiropyran, the theoretical background for the preparation of an azobenzene equivalent is presented. The computational data is converted into model compounds that were investigated by means of NMR analysis. Based on these combined theoretical and experimental data, a promising target structure for a light-responsive dynamic covalent zwitterion is described.

Mixed association of calix[4]resorcinarene with ethyl sulfonate groups on the lower rim and dimethylaminomethyl groups on the upper rim (CR) and cationic surfactant 4-aza-1-hexadecyl-azoniabicyclo[2.2.2]octane bromide (DABCO-16) is studied by methods of tensiometry, conductometry, potentiometry and NMR spectroscopy at fixed CR concentration and varied surfactant concentration. Beyond ca. 0.4 mM of DABCO-16, mixed aggregates enriched by CR are proved to be formed due to electrostatic forces, while beyond ca. 5 mM, aggregates enriched by surfactant occur due to the hydrophobic effect. Spectrophotometry monitoring of the solubilization of a hydrophobic dye, Orange OT, demonstrated that only the second type of mixed aggregate enriched by DABCO-16 is capable of binding the organic probe, while the mixed system where the surfactant is a minor component shows no binding capacity towards Orange OT. This finding can be used for the design of nanocontainers with controllable binding/release properties. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

In dieser Arbeit wurde die Rolle selektiver, nicht-kovalenter Wechselwirkungen bei der Selbstorganisation von Diblockcopolymeren untersucht. Durch Einführung elektrostatischer, dipolarer Wechselwirkungen oder Wasserstoffbrückenbindungen sollte es gelingen, komplexe Mesostrukturen zu erzeugen und die Ordnung vom Nanometerbereich auf größere Längenskalen auszuweiten. Diese Arbeit ist im Rahmen von Biomimetik zu sehen, da sie Konzepte der synthetischen Polymer- und Kolloidchemie und Grundprinzipien der Strukturbildung in supramolekularen und biologischen Systemen verbindet. Folgende Copolymersysteme wurden untersucht: (i) Blockionomere, (ii) Blockcopolymere mit chelatisierenden Acetoacetoxyeinheiten und (iii) Polypeptid-Blockcopolymere. / In this work, the basic principles of self-organization of diblock copolymers having the in¬herent property of selective or specific non-covalent binding were examined. By the introduction of electrostatic, dipole–dipole, or hydrogen bonding interactions, it was hoped to add complexity to the self-assembled mesostructures and to extend the level of ordering from the nanometer to a larger length scale. This work may be seen in the framework of biomimetics, as it combines features of synthetic polymer and colloid chemistry with basic concepts of structure formation applying in supramolecular and biological systems. The copolymer systems under study were (i) block ionomers, (ii) block copolymers with acetoacetoxy chelating units, and (iii) polypeptide block copolymers.

Mixed association of calix[4]resorcinarene with ethyl sulfonate groups on the lower rim and dimethylaminomethyl groups on the upper rim (CR) and cationic surfactant 4-aza-1-hexadecyl-azoniabicyclo[2.2.2]octane bromide (DABCO-16) is studied by methods of tensiometry, conductometry, potentiometry and NMR spectroscopy at fixed CR concentration and varied surfactant concentration. Beyond ca. 0.4 mM of DABCO-16, mixed aggregates enriched by CR are proved to be formed due to electrostatic forces, while beyond ca. 5 mM, aggregates enriched by surfactant occur due to the hydrophobic effect. Spectrophotometry monitoring of the solubilization of a hydrophobic dye, Orange OT, demonstrated that only the second type of mixed aggregate enriched by DABCO-16 is capable of binding the organic probe, while the mixed system where the surfactant is a minor component shows no binding capacity towards Orange OT. This finding can be used for the design of nanocontainers with controllable binding/release properties. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Geladene Phosphatgruppen sind von wesentlicher Bedeutung für die Hydratisierung von Phospholipiden und DNS. Hydratisierungshüllen spielen eine wichtige Rolle für die Ausbildung und Stabilisierung von Zellmembranen und der DNS-Doppelhelixstruktur. In dieser Arbeit werden elementare Phosphat-Wasser-Wechselwirkungen in einem Phospholidmodellsystem – sogenannten inversen Mizellen - mit variablen Wassergehalt zwischen einem und 16 Wassermolekülen pro Phospholipid untersucht. Die schnellsten Prozesse an den Grenzflächen wie z.B. Phosphat-Wasser-Wasserstoffbrückendynamik und Schwingungsenergieumverteilung finden auf einer Femto- bis Pikosekundenzeitskala statt. Molekulare Schwingungen sind sensitive lokale Sonden für die Struktur und Dynamik. Deshalb ermöglicht Femtosekunden-Schwingungsspektroskope, insbesondere zweidimensionale Infrarotspektroskopie (2D IR) und Pump-Probe-Spektroskopie in einem breiten Spektralbereich, die Dynamik mikroskopischer Phosphat-Wasser-Wechselwirkungen in Echtzeit zu beobachten. Wir zeigen die ersten zweidimensionalen Infrarotspektren von Phosphat-Streckschwingungen, die unabhängig vom Wassergehalt grenzflächensensitive Sonden darstellen. Solche Spektren belegen, dass die schnellsten strukturellen Fluktuationen der Phospholipid-Kopfgruppen auf einer 300-fs Zeitskala ablaufen, wohingegen die Phosphat-Wasser-Wasserstoffbrücken länger als 10 ps bestehen bleiben. Die Schwingungsdynamik intramolekularer Wasserschwingungen, d.h. der OH-Streck- und Biegeschwingung, zeigen, dass sich kleine Wasserpools um die Phosphatgruppen bilden, sobald drei oder mehr Wassermoleküle pro Phospholipid vorliegen. Solche Wasserpools dienen als effiziente Wärmesenken für intramolekulare Schwingungen des Wassers und der Phosphatgruppen. / Charged phosphate groups are the major hydration sites of biomolecules such as phospholipids and DNA. Hydration shells play a key role in the formation and stabilization of cell membranes and the DNA double helix structure. Here, we introduce phospholipid reverse micelles with variable water content (between one and sixteen water molecules per phospholipid) as a model system to study elementary phosphate-water interactions. The fastest processes at phosphate-water interfaces , e.g. hydrogen-bond dynamics and vibrational energy transfer occur on a femto- to picosecond time scale. Since molecular vibrations are sensitive local probes of the structure and dynamics, the use of femtosecond vibrational spectroscopy, in particular two-dimensional infrared spectroscopy (2D IR) and pump-probe spectroscopy in a broad spectral range, allow for the observation of microscopic phosphate-water interactions in real time. We present the first two-dimensional infrared spectra of phosphate stretching vibrations that represent true interfacial probes independent of the hydration level. Such spectra reveal that the fastest structural fluctuations of phospholipid headgroups occur on a 300-fs timescale whereas phosphate-water hydrogen bonds are preserved for >10 ps. Vibrational dynamics of intramolecular water vibrations, i.e., the OH stretching and bending modes show that small water pools around the phosphate groups form when three or more water molecules per phospholipid are present. Such water pools act as efficient heat sinks of excess energy deposited in intramolecular vibrations of water or the phosphate groups.