Advanced Photochemical Avenues to Monodisperse Sequence-Defined Macromolecules
Creators: name: Konrad, Waldemar
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2019
Subjects: Sequenzdefiniton
Polymerchemie
Photochemie
Cycloadditionen

description: In der vorliegenden Arbeit werden neue Wege zu monodispersen, sequenzdefinierten Mak-romolekülen entwickelt. Dazu wurden hocheffiziente photoinduzierte "Klick"-Reaktionen wie etwa die Diels-Alder (DA) Cycloaddition oder die Nitril-Imin-Carbonsäure-Ligation (NICAL) als Ligationsplattformen eingesetzt. Darüber hinaus wird die Bildung sequenzde-finierter Makromoleküle durch die Kombination von Photochemie und Passerini-Reaktionen demonstriert. Zusätzlich wird die Photochemie als geeignetes Werkzeug für die wellenlängenorthogonale Synthese monodisperser Makromoleküle unter Vermeidung von Schutzgruppenchemie untersucht. Modulare Strategien, bei denen ein symmetrisches lineares Molekül mit zuvor synthetisier-ten Bausteinen ligiert wird, werden untersucht, um das Molekulargewicht in sequenzdefi-nierten Makromolekülen pro Kettenverlängerungsschritt erheblich zu erhöhen. Darüber hin-aus wird die Synthese von Makromolekülen durch zweiseitiges Wachstum symmetrischer Kerneinheiten untersucht, da symmetrische Kernmoleküle ebenso zu einer signifikanten Er-höhung des Molekulargewichts pro Kettenverlängerungsschritt beitragen, weil zwei Bau-steine gleichzeitig in einem Reaktionsschritt angebunden werden. Demzufolge wird der Aufbau eines hohen Molekulargewichts in weniger Reaktionsschritten realisiert. In der Fol-ge wird untersucht, wie hohe Molekulargewichte durch eine Kombination von symmetri-schen Kernen und modularen Strategien erreicht werden können. Des Weiteren wird der signifikant höhere Anstieg des Molekulargewichts pro Kettenverlängerungsschritt als Bei-trag zur Aufreinigung der Makromoleküle untersucht, da damit zu rechnen ist, dass die chromatographische Auftrennung der jeweiligen Generationen vereinfacht wird. In der vorliegenden Arbeit werden drei Ansätze für sequenzdefinierte Makromoleküle auf-gezeigt. Die Passerini-Reaktion ist eine Eintopfreaktion, bei der drei Komponenten ein Produkt bilden, das direkt alle gewünschten Funktionen enthält. Folglich können struktu-rell komplexere Reaktionsprodukte in nur einem Syntheseschritt hergestellt werden. Die Photochemie bietet andererseits zeitliche und räumliche Kontrolle über Reaktionen. Im ers-ten Projekt werden daher beide, d.h. photoinduzierte DA-Cycloaddition mit o-Methylbenzaldehyden (o-MBAs) und die Passerini-Reaktion, zur Bildung von Präzisionso-ligomeren kombiniert, welche abwechselnd aus P-3CR und Photoblöcken bestehen, wobei die Vorteile beider Ligationsmethoden ausgenutzt werden. Es wird ein modularer Ansatz in Kombination mit einem bidirektionalen Kettenwachstum für die aufeinanderfolgende Kettenverlängerung verfolgt. In einem ersten Schritt werden Passerini-Linker als Bausteine für die Kettenverlängerung hergestellt, welche Maleimide als Ankerpunkte für die an-schließende lichtinduzierte Ligation liefern. Die Photoblöcke werden auf der Basis einer UV-aktiven Benzaldehydeinheit, ein photoaktivierbares Dien, und einem furangeschützten Maleimid konzipiert. Ausgehend von Sebacinsäure als symmetrisches Kernmolekül werden durch Umschalten zwischen Photochemie und Passerini-Reaktionen die gewünschten symmetrischen, seitenkettenfunktionalisierten, sequenzdefinierten Makromoleküle mit Mo-lekulargewichten von bis zu 3532.16 g mol-1 erhalten. Die monodispersen, sequenzdefinier-ten Makromoleküle zeichnen sich durch absolute Endgruppentreue und der exakten Positi-onierung funktioneller Monomere entlang der Kette aus. Sequenzdefinierte Makromoleküle mit furangeschützten Maleimiden an ihren Kettenenden müssen vor der weiteren Kettenverlängerung thermisch entschützt werden. Das Vermeiden überflüssiger Modifikationen, die mit den Makromolekülen selbst durchgeführt werden, ist vorteilhaft, um die Gesamteffizienz zu erhöhen. Im zweiten Ansatz wird daher eine Kom-bination von pyrenfunktionalisierten Tetrazolen, die auf sichtbares Licht zwischen 410 und 420 nm (NICAL Reaktion) reagieren, und auf im UV-Bereich bei 365 nm aktivierbare o-MBAs (DA-Cycloaddition), für einen wellenlängenunabhängigen Ansatz genutzt. Dazu wird im Hinblick auf die Skalierbarkeit der photochemischen Reaktionen ein Photodurch-flussreaktor entwickelt. Die Synthese von sequenzdefinierten Makromolekülen basiert auf einem Zwei-Monomer-System durch Kettenverlängerung einer symmetrischen Kerneinheit. Ausgehend von einer bifunktionellen Carbonsäure als Kerneinheit werden symmetrische, sequenzdefinierte Makromoleküle mit einem Molekulargewicht von bis zu 6257.10 g mol-1 hergestellt. In einem dritten Ansatz wird basierend auf der photoinduzierten DA-Reaktion zwischen UV-aktiven o-MBAs und einem furangeschützten Maleimid eine Reihe funktioneller se-quenzdefinierter Makromoleküle mit unterschiedlicher Kettenlänge und Monomersequenz-reihenfolgen erhalten. Im ersten Schritt werden nach Bedarf kombinierbare Bausteine – α,ω-funktionalisierte Makromoleküle – bestehend aus bis zu fünf Monomereinheiten für die modulare Kettenverlängerung hergestellt. Ausgehend von einer Bismaleimidkerneinheit werden durch sukzessive Addition der jeweiligen Baueinheiten durch UV-Licht symmetri-sche sequenzdefinierte Dekamere erhalten. Die eingehende Charakterisierung der sequenzdefinierten Makromoleküle auf ihre mono-disperse Natur wird über Größenausschlusschromatographie (SEC), Kernspinresonanz (NMR) Spektroskopie und hochauflösende Orbitrap Elektrospray-Ionisation – Massenspek-trometrie (ESI-MS) sowie Matrix–Assistierte Laser–Desorption–Ionisierung - Flugzeitmas-senspektrometrie (MALDI-ToF) durchgeführt.