Various synthetic approaches were explored towards the preparation of poly(N-substituted glycine) homo/co-polymers (a.k.a. polypeptoids). In particular, monomers that would facilitate in the preparation of bio-relevant polymers via either chain- or step-growth polymerization were targeted. A 3-step synthetic approach towards N-substituted glycine N-carboxyanhydrides (NNCA) was implemented, or developed, and optimized allowing for an efficient gram scale preparation of the aforementioned monomer (chain-growth). After exploring several solvents and various conditions, a reproducible and efficient ring-opening polymerization (ROP) of NNCAs was developed in benzonitrile (PhCN). However, achieving molecular weights greater than 7 kDa required longer reaction times (>4 weeks) and sub-sequentially allowed for undesirable competing side reactions to occur (eg. zwitterion monomer mechanisms). A bulk-polymerization strategy provided molecular weights up to 11 kDa within 24 hours but suffered from low monomer conversions (ca. 25%). Likewise, a preliminary study towards alcohol promoted ROP of NNCAs suffered from impurities and a suspected alternative activated monomer mechanism (AAMM) providing poor inclusion of the initiator and leading to multi-modal dispersed polymeric systems. The post-modification of poly(N-allyl glycine) via thiol-ene photo-addition was observed to be quantitative, with the utilization of photo-initiators, and facilitated in the first glyco-peptoid prepared under environmentally benign conditions. Furthermore, poly(N-allyl glycine) demonstrated thermo-responsive behavior and could be prepared as a semi-crystalline bio-relevant polymer from solution (ie. annealing).
Initial efforts in preparing these polymers via standard poly-condensation protocols were insufficient (step-growth). However, a thermally induced side-product, diallyl diketopiperazine (DKP), afforded the opportunity to explore photo-induced thiol-ene and acyclic diene metathesis (ADMET) polymerizations. Thiol-ene polymerization readily led to low molecular weight polymers (<2.5 kDa), that were insoluble in most solvents except heated amide solvents (ie. DMF), whereas ADMET polymerization, with diallyl DKP, was unsuccessful due to a suspected 6 member complexation/deactivation state of the catalyst. This understanding prompted the preparation of elongated DKPs most notably dibutenyl DKP. SEC data supports the aforementioned understanding but requires further optimization studies in both the preparation of the DKP monomers and following ADMET polymerization.
This work was supported by NMR, GC-MS, FT-IR, SEC-IR, and MALDI-Tof MS characterization. Polymer properties were measured by UV-Vis, TGA, and DSC. / Die Annehmlichkeiten des Alltags und das hohe Alter das Menschen in der heutigen Zeit erreichen sind ein Ergebnis des wissenschaftlichen und technologischen Fortschritts. Insbesondere in der Medizin haben die Entwicklung neuartiger Medikamente und Therapien, künstlicher Knochen und Gewebeteile sowie der Einsatz von neuen Geräten für die Diagnostik und Assistenz bei Operationen enorm zu diesen Errungenschaften beigetragen.
Jede Entwicklung fundierte letztlichen auf den Ergebnissen der Grundlagenforschung sei es von Mikro-/biologen (Identifikation anormalen Verhaltens), Biochemikern (Identifikation von Auslösern und Wirkzentren) Bio-/ organischen Chemikern (Synthese von Makro-/molekülen), Material-/chemikern (Materialsynthese) und/oder Ingenieuren/Mathematikern/Physikern (theoretischen Modelle und Berechnungen). Biomedizinische Anwendungen wie z.B. Biosensoren, künstliche Gewebeteile und Trägersubstanzen zur gezielten Wirkstofffreisetzung sind von besonderem Interesse. Materialien, die nach Kontakt mit einer Zelloberfläche in der Lage sind definiert ihre Struktur oder mechanischen Eigenschaften zu verändern und anschließend bioabbaubar sind ohne toxische Nebenwirkungen zu entfalten befriedigen die zuvor genannten Bedürfnisse.
Organismen entwickeln Biomaterialien bereits seit Millionen von Jahren und sind daher ein typischer Startpunkt für die Inspiration zu vielversprechenden Substanzen. Peptoide, als Mimetika von Peptiden, werden bereits längerem von Bio-/chemikern synthetisiert und auf ihren therapeutischen Nutzen hin, neuerdings auch auf ihre Materialeigenschaften untersucht. Grundlegende Eigenschaften dieser Materialien sind ihre Biokompatibilität, kontrollierte Bioabbaubarkeit, thermische Prozessierbarkeit sowie ihre Fähigkeit zur Selbstorganisation in höher geordnete Strukturen. Die sequenzdefinierte Synthese ist jedoch aufwendig und teuer.
In dieser Arbeit habe ich ein alternatives Herstellungsverfahren (Ringöffnungspolymerisation) entwickelt mit dem es möglich ist hochmolekulare Substanzen - genannt poly(N-substituierte Glycine) – herzustellen. Ich erwarte, dass diese Materialien ähnliche stimulus responsive und thermische Eigenschaften wie Polypeptide, die bereits intensiv auf ihre biomedizinische Anwendbarkeit untersucht werden, haben. Im Vergleich zu den strukturgleichen Peptiden erwarte ich eine höhere Biokompatibilität sodass diese Materialen eine vielversprechende neue Klasse biorelevanter Materialien darstellen könnte.
Die fundamentalen Ergebnisse dieser Arbeit stellen eine Alternative zu den bekannten Methoden zur Herstellung poly(N-substituierter Glycine) dar. Selbige weisen stimulus responsives Verhalten und thermische Prozessierbarkeit auf, das vergleichbar ist mit bereits bekannten Materialien. Darüber hinaus erlauben sie die einfache und vielseitige Funktionalisierung für vielschichtige Anwendungen.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:Potsdam/oai:kobv.de-opus-ubp:6478 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Robinson, Joshua Wayne |
| Publisher | Universität Potsdam, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät. Institut für Chemie |
| Source Sets | Potsdam University |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | Text.Thesis.Doctoral |
| Format | application/pdf |
| Rights | http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/de/ |
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