Synthesis of Polymer Networks as Optimized Alignment Media for NMR Spectroscopy
Creators: name: Estupiñán Méndez, Diego
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2019

description: Eine der leistungsstärksten spektroskopischen Methoden zur Strukturaufklärung von (Bio-) Molekülen ist die Kernspinresonanzspektroskopie (engl. NMR). Kürzlich wurden anisotrope NMR-Techniken entwickelt, die auch die dreidimensionale Charakterisierung von Analyten erlauben. Derartige räumliche Informationen sind jedoch nur verfügbar, wenn sich ein Teil der zu untersuchenden Moleküle entlang des Magnetfeldes ausrichtet. Die gegenwärtig verwendeten Methoden zur Ausrichtung von Analyten sind durch vielfältige Limitierungen geprägt, was ihre breite Anwendung verhindert. Deshalb ist das Thema der vorliegenden Arbeit die Synthese von Polymernetzwerken als optimierte Orientierungsmedien für anisotrope NMR-Analysen. Mithilfe konventioneller radikalischer Copolymerisationstechniken wurden zunächst vernetzte Polystyrol (PS) -Netzwerke hergestellt, die in Form von Stäbchen als anfängliches Modellsystem verwendet wurden. Zu Beginn wurde der Einfluss des Anteils an Vernetzer (Divinylbenzol) auf die mechanischen Eigenschaften, sowie die Ausrichtungseigenschaften der Stäbchen bestimmt. Dabei zeigte sich, dass eine Erhöhung des Vernetzungsgrades zu einer erhöhten Ausrichtung führt, allerdings wird die mechanische Flexibilität dadurch herabgesetzt. Erstrebenswert ist jedoch ein flexibles Gel, das bei mechanischem Beanspruchung robust bleibt und gleichzeitig gute Ausrichtungseigenschaften besitzt. Daher wurde der Zusatz von Weichmachern während der Netzwerksynthese systematisch untersucht. Diese Zusätze verleihen den Stäbchen weichere und flexiblere Eigenschaften, wodurch die Gefahr des Gelbruchs beim Quellen und Verformen verringert wird. Diese erhöhte Stabilität gewährte eine häufigere Wiederverwendbarkeit der Stäbchen über mehrere Quell- und Entquellzyklen. Darüber hinaus ermöglichten diese flexiblen Proben die Ausrichtung des Analyten durch mechanisches Zusammendrücken des Gels zusätzlich stark anzupassen. Dennoch ist die benötigte Menge an Additiv relativ hoch (mindestens 17,5% v/v), um das Reißen und Brechen beim Quellvorgang wirksam zu vermeiden. Somit ist nicht auszuschließen, dass die jeweiligen NMR-Resonanzen des Weichmachers letztendlich die vom Analyten stammenden Signale stören. Darüber hinaus ist zu vermuten, dass die Menge an Additiv im Gel nach mehreren Quell- / Entquellzyklen abnimmt, wodurch es seine flexiblen Eigenschaften verliert. Daher wurde die Verwendung verschiedener Styrolderivate zur direkten Herstellung weicherer Stäbchen untersucht. Vorversuche zeigten, dass PS-Gele, die aus Styrolmonomeren mit langen Alkylketten in para-Position hergestellt wurden, eine verminderte Rissbildung während des Quellens der Proben zeigen. Dennoch waren die mit diesem Ansatz erhaltene Stäbchen sehr spröde, weshalb weitere Untersuchungen erforderlich sind, um ihre mechanische Eigenschaften zu optimieren und ihre zukünftige Anwendung als NMR-Ausrichtungsmedium zu garantieren. Eine Alternative zur Optimierung der aktuellen Ausrichtmedien stellt die Einführung von funktionellen Gruppen in die Netzwerke dar. Dazu wurden zwei neuartige funktionalisierte PS-basierte Systeme entwickelt; eines mit chiralen Gruppen, das zweite mit paramagnetischen Bindungstaschen. Für die chiralen Stäbchen wurden sowohl (+) - als auch (-) - Menthol-Styrol-Monomere synthetisiert und deren Copolymerisations-verhalten mit Styrol untersucht. Vernetzte Stäbchen, die geringe (5 mol-%) und hohe (25 mol-%) Mengen jedes Enantiomers enthielten, wurden hergestellt und charakterisiert. Diese chiralen Ausrichtungsmedien ermöglichen die eindeutige Unterscheidung der Enantiomeren von optisch aktiven Analyten. Die anisotropen NMR-Experimente zeigen ein markant unterschiedliches Verhalten der Stereozentren des jeweiligen Analyten innerhalb der (+) - oder (-) - Stäbchen, doch die spezifischen Wechselwirkungen zwischen Polymerketten und Analyt können nicht eindeutig belegt werden. Für das zweite funktionelle System wurde ein Phenantrolinderivat des Styrols als Comonomer verwendet. Die in die PS-Netzwerke eingebauten Phenanthrolineinheiten (0,8 mol-%) sind gute Liganden für Lanthanoidionen, die wiederum die Ausrichtung der Analyten über paramagnetische Wechselwirkungen beeinflussen. Europium wurde als Model-Lanthanoid ausgewählt, da es mit Phenanthrolin einen stark rot fluoreszierenden Komplex bildet, der einen visuellen Anhaltspunkt für die erfolgreiche Funktionalisierung der Gele liefert. Im letzten Teil dieser Arbeit wurde die Synthese topologisch homogener Polymernetzwerke als potentielle Orientierungsmedien untersucht. Für diesen Ansatz wurden wohl-definierte telechele PS-Stränge durch reversible Additions-Fragmentierungs-Transfer-Polymerisation (RAFT-Polymerisation) hergestellt und später gemäß Click-Chemie-Protokollen vernetzt. Zunächst wurde die UV-induzierte Nitrilimin-vermittelte Tetrazol-En-Cycloaddition (NITEC) als Vernetzungsmethode untersucht. Diese Reaktion findet unter UV-Bestrahlung zwischen einem Tetrazol und einem aktivierten En statt und erzeugt ein stark fluoreszierendes Pyrazolin-Addukt. Zu diesem Zweck wurde ein spezielles RAFT-Agens entwickelt, um damit α,ω-Tetrazol-funktionalisierte PS-Ketten herzustellen. Die Umsatzkinetik dieser endständig funktionalisierten PS-Ketten konnte während der NITEC-Addition mittels Fluoreszenzspektroskopie überwacht werden. Einerseits zeigten Stufenwachstumspolymere, die durch eine solche NITEC-Addition mit Bismaleimiden erhalten wurden, eine zum Reaktionsumsatz korrelierende Zunahme der Fluoreszenzemission. Durch die Umsetzung der Tetrazol-PS-Stränge mit trifunktionellen Maleimid-Linkern konnten schließlich fluoreszierende Netzwerke erhalten werden. Dieser neue Ansatz ist herausragend, da jede gebildete Verbindung als eine fluoreszierende Einheit erscheint. Somit konnte die genaue Anzahl der Vernetzungen im Netzwerk leicht über Fluoreszenzemissionsmessungen quantifiziert werden. Diese Methode ist das erste literaturbekannte Beispiel für die direkte Quantifizierung des Vernetzungsgrades während der Netzwerkbildung. Aufgrund der Einschränkungen hinsichtlich der Lichtdurchdringungstiefe konnte diese Methode jedoch nicht erfolgreich für die Synthese zylindrischer PS-Stäbchen angewendet werden. Um dieses Problem zu umgehen, wurden Thiol-En-Michael-Addition-Protokolle als alternative Vernetzungsmethode untersucht. Wiederum wurden wohl-definierte Polystyrolstränge unterschiedlicher Länge mittels RAFT-Polymerisationstechniken erhalten, die anschließend zu α,ω-thiol-funktionalisiertem Polystyrol aminolysiert wurden. Diese telechelen Ketten wurden im Basischen mithilfe eines tetrafunktionellen Acrylats vernetzt, wodurch endverknüpfte PS-Netzwerke mit einstellbarer Maschengröße erhalten wurden. Erwartungsgemäß wirkt sich eine Änderung der durchschnittlichen Maschengröße auf das Quellverhalten der Netze aus. So zeigten Thiol-En-Gele höhere Quellraten bei höheren Molekulargewichten der Vorläuferpolymere. Zusätzlich wurden Netzwerke aus gemischten Strängen mit unterschiedlichem Molekulargewicht hergestellt und charakterisiert. Die makroskopischen Eigenschaften dieser gemischten Netzwerke ähnelten stark den Netzwerken, die aus Einzelsträngen mit demselben durchschnittlichen Molekulargewicht hergestellt wurden. Die Mikrostruktur dieser gezielt heterogenen Netzwerke unterscheidet sich hingegen stark. Die Eignung dieser Thiol-En-Netzwerke (homo- und heterogen) als optimierte Ausrichtungsmedien wurde mit den radikalbasierten Netzwerken mit ähnlichem Vernetzungsgrad verglichen. Zusammenfassend behandelt die vorliegende Promotionsschrift die Entwicklung von Polymergelen als Orientierungsmedien mit verbesserten mechanischen, funktionellen und ausrichtenden Eigenschaften. Darüber hinaus wurden Untersuchungen zur kontrollierten Synthese von Netzwerken durchgeführt und alternative Methoden zur Netzwerkcharakterisierung wie die Fluoreszenzspektroskopie vorgestellt. Auf diese Weise kann der Einfluss der inneren Struktur des Gels auf sein Ausrichtungsverhalten beurteilt werden. Die hier vorgestellte Arbeit ebnet den Weg für das rationale Design optimierter polymerbasierter Ausrichtungsmedien, um die Anwendung der NMR-Spektroskopie in anisotropen Medien als Standardanalysetechnik zu erweitern.