Synthesis and Characterization of Uniform Macromolecules and Data Storage in Small Compounds
Creators: name: Bohn, Philipp
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2023
Subjects: Uniform Macromolecules
Self-Assembly
Structure Property Relationship
Passerini Reaction
Data Storage

description: Inspiriert durch die hoch komplexe und sequenzdefinierte Struktur von Biomakromolekülen, wie zum Beispiel Desoxynukleinsäure (DNS), hat sich mit der Synthese und Untersuchung uniformer, sequenzdefinierter Makromoleküle nicht-natürlichen Ursprungs ein neues Forschungsgebiet entwickelt. Da klassische Polymerchemie durch Dispersität und Strukturverteilung geprägt ist, beschränkte sich die Synthese von uniformen, sequenzdefinierten Strukturen lange Zeit auf Biopolymere. In dieser Arbeit wird die Synthese von uniformen poly(ethylenglycol)-block-poly(ε caprolacton) (PEG-b-PCL) Blockcopolymeren (BCP) beschrieben, die zur Untersuchung der dispersitätsabhängigen Struktur Eigenschafts-Beziehungen verwendet werden. Des Weiteren wurde die Anwendung von komplexen kleinen organischen Molekülen als potenzielle Medien für Datenspeicherung auf Oberflächen untersucht. Drei uniforme BCP, die in der Länge des hydrophoben PCL-Blocks variieren, wurden über die Kopplung von uniformen PEG- und PCL-Homopolymeren gebildet, welche über ein iteratives exponentielles Wachstum hergestellt wurden. Ringöffnende Polymerisation von ε-Caprolacton mit Methoxy-OEG als Makroinitiator lieferte Vergleichsmoleküle mit identischem Mn und einer engen Molmassenverteilung (Đ = 1.06). Die thermischen Eigenschaften wurde mittels dynamischer Differenzkalorimetrie (DSC) und das Phasenseparationsverhalten der BCP über Kleinwinkel-Röntgenstreuung (engl. small-angle X-ray scattering, SAXS) untersucht. Die Ergebnisse zeigen eine eindeutige konstitutions- und dispersitätsabhängige Struktur-Eigenschaftsbeziehung anhand der Kristallisationstemperatur Tc sowie ein unterschiedliches Phasenseparationsverhalten des kleinsten BCP in Abhängigkeit von der Dispersität. In dem zweiten Teil der Arbeit wurden kleine komplexe organische Moleküle für die Anwendung als potenzielle Datenspeichermedien auf einer Oberfläche untersucht. Die jeweiligen Verbindungen wurden in einer einstufigen Synthese unter Verwendung der Passerini-Dreikomponenten-Reaktion (P-3KR) in Kombination mit einer Hetero-Michael-Addition synthetisiert. Unter Verwendung einer Datenbank aus 708 kommerziell erhältlichen Komponenten, sind mit dem beschriebenen Ansatz 2.63 Mio einzigartige Strukturen potenziell zugänglich. Diese Anzahl an Permutationen entspricht einer Datenspeicherkapazität von 21 Bit pro Molekül. Die Moleküle wurden mit einem Pipettierroboter auf eine Glasoberfläche gedruckt und mittels hochauflösender Matrix-assistierter Laser-Desorption-Ionisation (MALDI) Tandem Massenspektrometie (MS/MS) anhand des resultierenden Fragmentmusters eindeutig identifiziert. In einem weiteren Ansatz wurde eine schnelle und effiziente Methode zur Speicherung von Informationen in kommerziell erhältlichen Verbindungen demonstriert. In mehreren Molekülmischungen wurde ein 625 bit QR-code gespeichert und mittels Gaschromatographie (GC) ausgelesen und, unterstützt durch ein eigens programmiertes Computerskript, mit 100%iger Genauigkeit entschlüsselt.