Aim of this thesis was to combine the versatility of sulfur-chemistry, regarding redox-sensitivity as well as chemo- and site-specific conjugation, with multifunctionality of poly(glycidol)s as an alternative to poly(ethylene glycol). First the homo- and copolymerizations of EEGE and AGE were performed with respect to molar-mass distribution and reaction kinetics. A detailed study was given, varying the polymerization parameters such as DP, counter ion, solvent and monomer influence. It can be concluded that in general the rates for all polymerizations are higher using K+, in contrast to Cs+, as counter ion for the active alkoxide species. Unfortunately, K+ as counter ion commonly leads to a reduced control over polymer dispersity. In this thesis it was shown that the broad molar-mass distributions might be reduced by adding the monomer in a step-wise manner. In experiments with a syringe pump, for continuously adding the monomer, a significant reduction of the dispersities could be found using K+ as counter ion. In analogy to the oxyanionic polymerization of epoxides, the polymerization of episulfides via a thioanionic mechanism with various DPs was successful with thiols/DBU as initiator. In most experiments bimodality could be observed due to the dimerization, caused by oxidation processes by introduced oxygen during synthesis. Reducing this was successful by modifying the degassing procedure, e.g. repeated degassing cycles after each step, i.e. initiation, monomer addition and quenching. Unfortunately, it was not always possible to completely avoid the dimerization due to oxidation. Thiophenol, butanethiol, mercaptoethanol and dithiothreitol were used as thiol initiators, all being capable to initiate the polymerization. With the prediction and the narrow molar-mass distributions, the living character of the polymerization is therefore indicated. Homo- and copolymers of poly(glycidol) were used to functionalize these polymers with side-chains bearing amines, thiols, carboxylic acids and cysteines. The cysteine side-chains were obtained using a newly synthesized thiol-functional thiazolidine. For this, cysteine was protected using a condensation reaction with acetone yielding a dimethyl-substituted thiazolidine. Protection of the ring-amine was obtained via a mixed-anhydride route using formic acid and acetic anhydride. The carboxylic acid of 2,2-dimethylthiazolidine-4-carboxylic acid was activated with CDI and cysteamine attached. The obtained crystalline mercaptothiazolidine was subjected to thiol-ene click chemistry with allyl-functional poly(glycidol). A systematic comparison of thermal- versus photo-initiation showed a much higher yield and reaction rate for the UV-light mediated thiol-ene synthesis with DMPA as photo-initiator. Hydrolysis of the protected thiazolidine-functionalities was obtained upon heating the samples for 5 d at 70 °C in 0.1 M HCl. Dialysis against acetic acid lead to cysteine-functional poly(glycidol)s, storable as the acetate salt even under non-inert atmosphere. An oxidative TNBSA assay was developed to quantify the cysteine-content without the influence of the thiol-functionality. A cooperation partner coupled C-terminal thioester peptides with the cysteine-functional poly(glycidol)s and showed the good accessibility and reactivity of the cysteines along the backbone. SDS-PAGE, HPLC and MALDI-ToF measurements confirmed the successful coupling. / Ziel der Arbeit war es die Vielseitigkeit der Schwefelchemie, hinsichtlich der Redoxsensitivität und chemo- und seitenspezifischer Konjugation, mit der Funktionalisierbarkeit von Poly(glycidol)en, als multifunktionale PEG-Alternative zu kombinieren. Zunächst wurden die Homo- und Copolymerisationen von EEGE und AGE hinsichtlich der Molmassenverteilung und der Reaktionskinetik untersucht. Durch die Variation der Polymerisationsparameter, wie angestrebter Polymerisationsgrad, Gegenion, Lösungsmittel und Monomer, wurde der Einfluss dieser untersucht. Allgemein konnte gezeigt werden, dass die Polymerisationen schneller ablaufen, wenn K+, im Gegensatz zu Cs+, als Gegenion zum aktiven Alkoxidkettenende verwendet wird. Nachteilig bei der Verwendung von K+ als Gegenion ist der Kontrollverlust der Polymerisation, welcher mit einer Erhöhung der Dispersität einhergeht. Es konnte gezeigt werden, dass die Breite der Molmassenverteilung durch die Geschwindigkeit der Monomerzugabe kontrolliert werden kann. Tatsächlich konnte die Dispersität durch die Verwendung einer Spritzenpumpe verbessert werden, da das Monomer mit einer konstanten angepassten Flussrate hinzugefügt wurde. Analog zur oxyanionischen Polymerisation von Epoxiden, war die Polymerisation von Episulfiden mittels thioanionischer Polymerisation ebenfalls möglich. Hierzu wurden verschiedene Polymerisationsgrade von EETGE und ATGE angestrebt und mittels Thiol/DBU als Initiator auch erreicht. In den meisten Fällen war jedoch eine Dimerisierung der Polymere zu beobachten, welche durch die Oxidation der aktiven Thiolatspezies verursacht wurde. Eine Möglichkeit zur Dimerisierungsunterdrückung war die wiederholte Durchführung von Entgasungszyklen nach jedem Arbeitsschritt, z.B. nach Zugabe des Initiators, des Monomers oder nach dem Quenchen. Trotz dieses experimentellen Aufwandes konnte nicht immer ein vollständiger Ausschluss der Dimerisierung erreicht werden. Thiophenol, Butanthiol, Mercaptoethanol und Dithiothreitol wurden als Thiolinitiatoren (in Kombination mit DBU) verwendet und waren alle in der Lage die Polymerisation zu starten. Die Kontrolle des Polymerisationsgrades und die enge Molmassenverteilung der Polymere verdeutlichen, dass die thioanionische Polymerisation ebenfalls lebend verläuft. Glycidol Homo- und Copolymere wurden verwendet und die Seitenketten mit Amin-, Thiol-, Carbonsäure- und Cysteingruppen funktionalisiert. Die Cysteinseitenketten wurden durch ein neues thiolfunktionales Thiazolidin erhalten. Ausgehend von Cystein und Aceton wurde zunächst das Dimethyl-substituierte Thiazolidin erhalten, welches daraufhin am Ring-Amin mit Essigsäureanhydrid und Ameisensäure formyliert wurde. Die Carbonsäurefunktion des Thiazolidins wurde mittels CDI aktiviert und anschließend mit Cysteamin umgesetzt. Hierbei bildete sich das niedermolekulare kristalline thiolfunktionale Thiazolidin, welches mittels Thiol-En-Click Chemie an allyl-funktionales Poly(glycidol) geknüpft werden konnte. Eine systematische Untersuchungen der thermischen und UV-induzierten Thiol-En-Click Chemie zeigte, dass wesentlich höhere Umsätze und Geschwindigkeiten bei der photoinduzierten Reaktion erhalten werden. Mittels 0.1 M HCl konnte bei 70 °C innerhalb von 5 d die Hydrolyse der Thiazolidine im Anschluss erreicht werden. Nach der anschließenden Dialyse der Polymere gegen 0.1 M Essigsäure wurde erfolgreich das Acetatsalz der cysteine-funktionalen Poly(glycidol)e erhalten. Diese waren hinsichtlich der Thioloxidation unter atmosphärischen Bedingungen stabil. Ein oxidativer TNSBA-Assay wurde entwickelt, um die Menge der Cysteine zu quantifizieren und gleichzeitig den störenden Einfluss der Thiole zu unterbinden. Ein Kooperationspartner setzte die cysteinfunktionalisierten Poly(glycidol)e mit C-terminalen Thioestern um und konnte die gute Zugänglichkeit und Aktivität der Cysteine entlang des Polymerrückgrats nachweisen. SDS-PAGE, HPLC und MALDI-ToF Messungen bestätigten die erfolgreiche Konjugation im Anschluss.

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Ce travail de thèse porte sur la synthèse de (co)polymères thermosensibles présentant une fonctionnalité azlactone par polymérisation radicalaire contrôlée RAFT pour l’ancrage de biomolécules. Trois stratégies différentes ont été étudiées. La première stratégie a consisté en la synthèse d’un nouvel agent de transfert permettant d’obtenir des polymères thermosensibles à fonctionnalité azlactone en position . La seconde approche a permis d’introduire la fonctionnalité azlactone en position ω de copolymères thermosensibles via la combinaison de la polymérisation RAFT et de l’addition de Michaël « thiol-ène ». La dernière stratégie a conduit à des copolymères thermosensibles à fonctionnalité azlactone en position latérale par copolymérisation RAFT de la 2-vinyl-4,4-diméthylazlactone avec d’autres monomères. Enfin, la réactivité de ces copolymères thermosensibles pour l’ancrage d’une protéine modèle (lysozyme) a été mise en évidence. / The synthesis of well-defined azlactone-functionalized thermoresponsive copolymers was performed using the RAFT polymerization and their interaction with primary amines and proteins was studied. Three different strategies have been developed. The first strategy was based on the synthesis of a novel azlactone-functionalized chain transfer agent which was used to target well defined  azlactone-functionalized thermoresponsive polymers. In the second approach, ω-azlactone-terminated thermoresponsive copolymers were prepared by a combination of RAFT polymerization and “thiol ene” Michaël’s addition. In the last strategy, RAFT copolymerization of 2-vinyl-4,4 dimethylazlactone with other monomers has been performed to target well-defined azlactone functionalized copolymers. Finally, the reactivity of such reactive thermoresponsive copolymers was successfully demonstrated by bioconjugation with a model protein (lysozyme).

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The research presented in this dissertation is focused on the construction of complex molecular structures on planar gold and silicon dioxide surfaces using a variety of surface modification techniques, along with thorough surface characterization at each modification step. The dissertation is structured into six separate chapters. In Chapter 1, an introduction to the importance and implications of molecular level surface modification, commonly employed surface modification methods, and available surface characterization techniques is presented. Chapter 2 shows applications of novel methodologies for the functionalization of gold surfaces using alkane dithiol self-assembled monolayers and thiol-ene click chemistry. The resulting functionalized gold substrates demonstrate higher chemical stability than alkanethiol self-assembled monolayers alone and allow spatially controlled functionalization of gold surfaces with light. In Chapter 3, work on tunable hydrophobic surfaces is presented. These surfaces are prepared using a combination of organosilane chemistry, layer-by-layer polyelectrolyte deposition, and thiol-ene chemistry. These hydrophobic surfaces demonstrate high mechanical and chemical stability, even at low pH (1.68). The pinning of water droplets could be tuned on them by the extent of their thermal treatment. Comprehensive surface characterization using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS), spectroscopic ellipsometry, atomic force microscopy, and water contact angles was carried out on the molecular assemblies prepared on gold and silicon dioxide surfaces. Chapters 4 and 5 are focused on the application, data interpretation, and enhancement in sensitivity of different surface characterization methods. In Chapter 4, XPS, ToF-SIMS, and principal components analysis are used to probe a real world corrosion-type problem. This systemic study showed the destruction of a protective coating composed of a nitrilotris(methylene)triphosphonic acid by a low-intensity fluorine plasma. In Chapter 5, enhancement in ToF-SIMS signals is shown via bismuth metal deposition. These surfaces are also probed by spectroscopic ellipsometry using the interference enhancement method. Finally, Chapter 6 concludes this dissertation by describing possible future work.