Branched Glycopolymers

Titelangaben

Muthukrishnan, Sharmila:
Branched Glycopolymers.
Bayreuth , 2005
( Dissertation, 2006 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Linear and branched glycopolymers of a sugar-carrying acrylate monomer, 3-O-acryloyl-1,2:5,6-di-O-isopropylidene-alpha-D-glucofuranose (AIGlc), were synthesized via atom transfer radical polymerization (ATRP). Self-condensing vinyl copolymerization (SCVCP) via ATRP was employed for the synthesis of highly branched glycoacrylates. The successful synthesis of linear and branched glycoacrylates were confirmed by 1H NMR, GPC/viscosity and MALDI-TOF mass spectrometry. Relationships between dilute solution viscosity and molecular weight were determined, and the Mark-Houwink exponent for branched poly(AIGlc)s typically varied between 0.28 and 0.20, depending on the degree of branching. The degree of branching (DB), evaluated by 1H NMR, are in good agreement with the calculated values, providing the facile and successful synthesis of branched glycopolymers using SCVCP. The linear and branched polymers were converted into water-soluble ones by the deprotection of the isopropylidene groups. The complete deprotection was confirmed by 1H NMR, FT-IR and GPC, respectively. The sugar-carrying methacrylate monomer, 3-O-methacryloyl-1,2:5,6-di-O-isopropylidene-alpha-D-glucofuranose (MAIGlc) was used to synthesize linear and branched glycomethacrylates via ATRP. Homopolymerization resulted in linear poly(MAIGlc) of controlled molecular weight and molecular weight distribution. Randomly branched poly(MAIGlc)s were synthesized using a methacrylic inimer, 2-(2-bromoisobutyryloxy)ethyl methacrylate (BIEM) via SCVCP. The successful synthesis of linear and branched poly(MAIGlc)s were confirmed by GPC, GPC/viscosity analyses, as well as 1H, 13C, and 2D NMR measurements. Mark-Houwink exponents between 0.20 and 0.34 were obtained within reasonable polymerization time (4 h), which was very much faster than the corresponding glyco-polyacrylates. Linear and branched poly(MAIGlc)s were finally deprotected to yield water-soluble glycomethacrylates. Then, the facile one-pot self-condensing ATRP was utilized to synthesize surface-grafted branched glycopolymers. The hyperbranched glycomethacrylates were grafted from a silicon wafer consisting of a covalently attached initiator layer of alpha-bromoester fragments by using SCVCP of a methacrylic inimer, BIEM and sugar-carrying methacrylate monomer, MAIGlc. The thickness and roughness of the resulting surfaces were estimated using ellipsometry and scanning force microscopy (SFM) and found to depend on the catalyst amount and the comonomer ratio, gamma. In the case of a linear polymer brush, the surface was relatively smooth and uniform. Deprotection of the isopropylidene groups of the branched and linear polymer brushes resulted in hydrophilic surfaces as investigated by contact angle measurements and DRIFT-IR. Then, the synthesis of glycocylindrical brushes (“molecular sugar sticks”) with poly(3-O-methacryloyl-alpha,ß-D-glucopyranose), (PMAGlc) side chains, was achieved using the ‘grafting from’ approach via atom transfer radical polymerization (ATRP) of the monomer, MAIGlc. The formation of well-defined brushes with narrow length distribution was confirmed by GPC with a multi-angle light scattering detector (MALS) and 1H NMR. Finally, glycomethacrylate hybrid stars were synthesized using a silsesquioxane nanoparticles-based macroinitiator of ca. 58 initiator functions and MAIGlc as monomer via ATRP using the “core first” approach. Well-defined glycostars could be synthesized by restricting the polymerization to low conversion. The molecular weights of the star polymers were determined using GPC with viscosity and multi-angle light scattering (MALS) detectors. Analysis of the arms cleaved by basic solvolysis indicated the initiation site efficiency of the silsesquioxane-based macroinitiator is about 44 % which could be due to bulkiness of the monomer, MAIGlc as well as the influence of the structure of the macroinitiator, some functions possibly being less accessible than others. The morphology of the protected as well as deprotected stars were visualized using SFM and scanning electron microscopy (SEM) and found to be spherical in THF and water solution, respectively. Such glycopolymers of different branched architectures synthesized via ATRP, have very high density of sugar moieties which can be in future manipulated to understand nature ´s multivalent processess, their interactions with proteins, in drug delivery etc due to their enhanced biocompatibility and hydrophilicity.

Abstract in weiterer Sprache

Lineare und verzweigte Glykopolymere eines zuckerhaltigen Acrylats , 3-O-acryloyl-1,2:5,6-di-O-isopropylidene-alpha-D-glucofuranose (AIGlc), wurden durch Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP) synthetisiert. Selbstkondensierende Vinylcopolymerisation (SCVCP) mit Hilfe von ATRP wurde für die Synthese von hochverzweigten Glykoacrylaten verwendet. Die erfolgreiche Synthese von linearen und verzweigten Glykoacrylaten wurde mit Hilfe von 1H-NMR, GPC/Viskosität and MALDI-TOF Massenspektroskopie bewiesen. Die Beziehungen zwischen der Viskosität der verdünnten Lösungen und dem Molekulargewicht wurden bestimmt. Der Mark-Houwink-Exponent für verzweigte Poly(AIGlc)s variiert je nach Verzweigungsgrad typischerweise zwischen 0.28 und 0.20. Die Verzweigungsgrade (degree of branching, DB) wurden durch 1H-NMR bestimmt und stimmen gut mit den berechneten Werten überein, was die einfache und erfolgreiche Synthese von verzweigten Glykopolymeren mit Hilfe von SCVCP beweist. Die linearen und verzweigten Polymere wurden durch Entfernung der Isopropylidenschutzgruppen in wasserlösliche Polymere überführt. Die vollständige Umsetzung wurde mit 1H-NMR, FT-IR und GPC überprüft. Das zuckerhaltige Methacrylat 3-O-methacryloyl-1,2:5,6-di-O-isopropylidene-alpha-D-glucofuranose (MAIGlc) wurde verwendet um mit Hilfe von ATRP lineare und verzweigte Glykomethacrylate darzustellen. Die Homopolymerisation ergab lineare Poly(MAIGlc)s mit kontrolliertem Molekulargewicht und Molekulargewichtsverteilung. Statistisch verzweigte Poly(MAIGlc)s wurden mit dem methacrylischen Inimer 2-(2-bromoisobutyryloxy)ethyl methacrylat (BIEM) durch SCVCP synthetisiert. Die erfolgreiche Synthese von linearem und verzweigten Poly(MAIGlc)s wurde durch GPC und GPC/Viskositätsanalysen, als auch durch 1H-, 13C-, und 2D-NMR Messungen bewiesen. Mark-Houwink-Exponenten zwischen 0.20 und 0.34 wurden innerhalb von relativ kurzen Polymerisationszeiten (4 Stunden) erhalten, was deutlich schneller ist als für die entsprechenden Glyko-polyacrylate. Die linearen und verzweigten Poly(MAIGlc)s wurden schließlich entschützt, um wasserlösliche Glykomethacrylate zu erhalten. Die einfache Eintopf selbstkondensierende ATRP wurde benutzt, um oberflächengepfropfte verzweigte Glykopolymere zu synthetisieren. Die hyperverzweigten Glykomethacrylate wurden ausgehend von einem Siliconwafer, der eine kovalent gebundene alpha-Bromoester-Initiatorschicht besaß, mit Hilfe von SCVCP des methacrylischen Inimers BIEM und des zuckerhaltigen methacrylischen Monomers MAIGlc aufgepfropft. Die Schichtdicke und die Oberflächenrauigkeit der so geschaffenen Oberflächen wurde durch Ellipsometrie und Rasterkraftmikroskopie (SFM) abgeschätzt. Beides hängt von der Katalysatormenge und dem Comonomerverhältnis, gamma, ab. Im Falle der linearen Polymerbürste war die Oberfläche relativ eben und einheitlich. Die Entfernung der Isopropylidenschutzgruppen der verzweigten und der linearen Polymerbürsten ergab hydrophile Oberflächen, die mit Kontaktwinkelmessungen und DRIFT-IR untersucht wurden. Die Synthese von glykozylindrischen Bürsten („molekulare Zuckerstäbe“) mit Poly(3-O-methacryloyl-alpha,ß-D-glucopyranose)-, (PMAGlc-) Seitenketten wurde durch die „grafting from“ Methode mit Hilfe der Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP) des Monomers MAIGlc erhalten. Die Bildung von gut-definierten Bürsten mit enger Längenverteilung wurde durch GPC mit einen Lichtstreudetektor (MALS) and 1H-NMR nachgewiesen. Schließlich wurden Glykomethacrylat-Hybridsterne unter Verwendung eines Makroinitiators auf Basis von Silsesquioxan-Nanopartikeln mit etwa 58 Initiatorfunktionen und MAIGlc als Monomer mit Hilfe von ATRP mit der „Core-first“-Methode synthetisiert. Wohldefinierte Glykosterne konnten durch die Beschränkung der Polymerisation auf geringe Umsätze synthetisiert werden. Die Molekulargewichte der Sternpolymere wurden durch GPC mit Viskositäts- und Lichtstreudetektoren bestimmt. Die Analyse der durch basische Solvolyse abgespaltenen Arme zeigt eine Initiatoreffektivität von 44% des silsesquioxan-basierenden Makroinitiators. Dies könnte auf die Sperrigkeit des Monomers MAIGIc als auch auf den strukturellen Einfluss des Makroinitiators zurückzuführen sein, d.h. dass manche Funktionalitäten einfacher zugänglich sind als andere. Die sphärische Morphologie der geschützten als auch der entschützten Sterne wurde durch SFM und Rasterelektronenmikroskopie (SEM) sichtbar gemacht. Solche durch ATRP dargestellten Glykopolymere mit verschiedenen verzweigten Architekturen haben eine sehr hohe Dichte an Zuckereinheiten, welche in Zukunft verändert werden können, um die multivalenten Prozesse der Natur, ihre Wechselwirkungen mit Proteinen, die Pharmakotherapie usw. aufgrund ihrer erhöhten Biokompatibilität und Hydrophilie zu untersuchen.