Synthesis of Sequence-Controlled Copolymers via Ring-Opening Metathesis Polymerization of Norbornene Derivatives

Seit dem Aufkommen der Polymerchemie, zu Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts, steigt die Nachfrage nach funktionalisierten Polymeren kontinuierlich an. Des Weiteren werden hoch spezialisierte Polymere zukünftig vermutlich weiter an Bedeutung gewinnen. Die Natur dient in vielen Forschungsbereichen als Vorbild, so auch in der Polymerchemie. Die Kontrolle über die Monomersequenz in synthetischen Materialien, inspiriert von der definierten Abfolge von Nukleinbasen in der Desoxyribonukleinsäure (DNA), ermöglicht die Beeinflussung von intramolekularen Wechselwirkungen und damit der polymeren Mikrostruktur. Diese Struktur hat weiterhin einen Einfluss auf potenziell interessante makroskopische Eigenschaften des Polymers. Die Entwicklung von kontrollierten Polymerisationstechniken hat eine stabile Grundlage geschaffen, um sequenzkontrollierte Makromoleküle zu synthetisieren und entsprechende Forschungsziele zu erreichen. Als solche stellt die Ringöffnungsmetathese Polymerisation (ROMP) eine vielseitige Plattform dar, um funktionalisierte und sequenzkontrollierte Polymere zu synthetisieren. Im ersten Abschnitt dieser Dissertation wird eine Vielzahl an funktionalisierten Polymeren synthetisiert, wobei sich die verwendete Methode durch ihre Robustheit und Vielseitigkeit auszeichnet. Dabei werden Norbornen-funktionalisierte Carbonsäurederivate mit unterschiedlichen Aldehyden und Isocyaniden in einer Passerini-Dreikomponentenreaktion (P-3KR) umgesetzt. Die resultierenden bifunktionellen Monomere werden anschließend in einer ROMP zu den entsprechenden Polymeren umgesetzt. Des Weiteren wird der Einfluss der Monomerstruktur auf deren Polymerisierbarkeit und die Polymerisationskinetik untersucht. Die thermischen Eigenschaften der synthetisierten Polymere werden anschließend mit Hilfe dynamischer Differenzkalorimetrie (DDK) und thermogravimetrischer Analyse (TGA) ermittelt. Im zweiten Abschnitt der Dissertation werden verschiedene ROMP-basierte Synthesemethoden untersucht, um Pfropfcopolymere zu erzeugen. Hierfür werden zunächst Norbornen-funktionalisierte Makromonomere durch radikalische Polymerisation unter Atomtransfer (ATRP) synthetisiert und anschließend deren Homo- und Copolymerisierbarkeit mittels ROMP untersucht. Der Einfluss der Makromonomerstruktur auf die Polymerisationskinetik und die Polymerisationskontrolle wird mit Hilfe grundlegender Analysemethoden erforscht. Außerdem wird die iterative Synthese von sequenzkontrollierten Pfropfcopolymeren durch die Copolymerisation von unterschiedlichen Makromonomeren mittels ROMP untersucht und diskutiert. Zuletzt wird eine neue Strategie zur Synthese von bifunktionellen Makromonomeren mittels P-3KR vorgestellt, die einen einfachen Zugang zu ROMP-basierten Pfropfcopolymeren bietet. Im dritten Abschnitt dieser Dissertation wird die Synthese von sequenzkontrollierten Pfropfcopolymeren erforscht, wobei Norbornen-funktionalisierte Makromonomere nacheinander zu einer kontinuierlich fortschreitenden ROMP gegeben werden. Die verzögerte Zugabe von exoNorbornen-funktionellen Makromonomeren, die hohe Polymerisationsgeschwindigkeiten aufweisen, zu der relativ langsamen Polymerisation eines endo Norbornenderivates führt zu dem gezielten Einbau eines makromolekularen Blocks in das polymere Rückgrat. Hierbei wird der Einfluss der Makromonomerstruktur auf die Polymerisationskinetik und die Polymerisationskontrolle erforscht. Mit Hilfe dieses kinetischen Ansatzes können sequenzkontrollierte Pfropfcopolymere synthetisiert werden. Die Verwendung von verschiedenen Makromonomeren führt zu diblock-, sowie triblockartigen Architekturen und ermöglicht die Variation der entsprechenden Molfraktionen auf kontrollierte Weise. Insgesamt wurden die angewendeten Methoden erfolgreich durchgeführt, obgleich der vielfach berichtete sequenzielle Einbau von (Makro)monomeren in ein „lebendes“ Polymer als die ineffizienteste und am stärksten limitierte Methode identifiziert wurde. Ein weitaus vielversprechenderer Ansatz wurde mit Hilfe eines (in diesem Bereich) größtenteils übersehenen Katalysators erarbeitet. Dieser Ansatz nutzt die speziellen kinetischen Eigenschaften von Norbornen-Isomeren aus und stellt ein vielseitiges Verfahren zur Synthese von sequenzkontrollierten Pfropfcopolymeren dar. Außerdem wurden Multikomponentenreaktionen erfolgreich zur Synthese von bifunktionellen Monomeren verwendet, die anschließend in sequenzkontrollierte Polymere umgewandelt wurden

Ring‐Opening Metathesis Polymerization of Norbornene‐Based Monomers Obtained via the Passerini Three Component Reaction

Ring-opening metathesis polymerization is a robust method to synthesize a variety of polymers by using ring-strained molecules as monomers, e.g., norbornenes. However, the synthesis of monomers with multiple functional groups remains a challenge, albeit peptide functional norbornenes have previously been used. Here, the Passerini three component reaction is exploited to synthesize norbornenes with two variable functional groups varying in bulkiness and distance from the polymerizable alkene. The results indicate that the functional groups do not affect the kinetics of the polymerization, whereas the length of the linker has a minor effect. Furthermore, a diblock-type copolymer is synthesized in a one-pot fashion, also indicating good control of the polymerization process. The thermal properties of all polymers are evaluated, highlighting the effect of monomer composition. This synthetic approach can be transferred to a variety of compounds, thus promising highly diverse polymers with complex compositions and architectures

One‐Pot Synthesis of Thiocarbamates

An efficient isocyanide-based synthesis of S-thiocarbamates was discovered and thoroughly investigated. The new reaction protocol is a one-pot procedure and allows the direct conversion of N-formamides into thiocarbamates by initial dehydration with p-toluene sulfonyl chloride to the respective isocyanide and subsequent addition of a sulfoxide component. Contrary to recent literature, which also uses isocyanides as starting material, but with other sulfur reagents than sulfoxides, in this protocol, no isolation and purification of the isocyanide component is necessary, thus significantly decreasing the environmental impact and increasing the efficiency of the synthesis. The new protocol was applied to synthesize a library of sixteen thiocarbamates, applying four N-formamides and four commercially available sulfoxides. Furthermore, experiments were conducted to investigate the reaction mechanism. Finally, four norbornene-based thiocarbamate monomers were prepared and applied in controlled ring-opening metathesis polymerization (ROMP) reactions. The polymers were characterized by size-exclusion chromatography (SEC) and their properties were investigated utilizing differential scanning calorimetry (DSC) and thermogravimetric analysis (TGA)

Biocompatible unimolecular micelles obtained via the Passerini reaction as versatile nanocarriers for potential medical applications

A Passerini three-component polymerization was performed for the synthesis of amphiphilic star-shaped block copolymers with hydrophobic cores and hydrophilic coronae. The degree of polymerization of the hydrophobic core was varied from 5 to 10 repeating units, and the side chain ends were conjugated by performing a Passerini-3CR with PEG-isocyanide and PEG-aldehyde (950 g/mol). The resulting amphiphilic star-shaped block copolymers contained thioether groups, which could be oxidized to sulfones in order to further tune the polarity of the polymer chains. The ability of the amphiphilic copolymers to act as unimolecular micellar encapsulants was tested with the water-insoluble dye Orange II, the water-soluble dye Para Red and the macrolide antibiotic azithromycin. The results showed that the new copolymers were able to retain drug cargo at pH levels corresponding to circulating blood and selectively release therapeutically effective doses of antibiotic as measured by bacterial cell kill. The polymers were also well-tolerated by differentiated THP-1 macrophages in the absence of encapsulated drugs