Herstellung synthetischer Polymere mit hierarchischen Strukturen

  • Herstellung synthetischer Polymere mit hierarchischen Strukturen. Bild: ©Lily/Fotolia.com Herstellung synthetischer Polymere mit hierarchischen Strukturen. Bild: ©Lily/Fotolia.com
  • Herstellung synthetischer Polymere mit hierarchischen Strukturen. Bild: ©Lily/Fotolia.com
  • Abb. 1: Die Herstellung von Oligopeptid-Polymer-Konjugaten wie 5 aus kommerziell erhältlichen Vorstufen und Reagenzien setzt eine mehrschrittige organische Synthese voraus. Für die hier gezeigten chemischen Reaktionen wurden folgende Reaktionsbedingungen gewählt. i) BuLi, THF, –78°C → RT; danach 1-(3-Bromopropyl)-2,2,5,5-tetramethyl-1-aza-2,5-disilacyclopentan; ii) H2, 100 bar, Pd/C, Toluol, 80°C, 5 d; iii) HO-Ala3-Fmoc, PyBOP, DIEA, THF; iv) Piperidin, CHCl3; v) HO-Ala-C(O)O-CH2-C≡C-C≡C-CH2-NHC(O)-CH2-CH2-C(O)OMe, PyBOP, DIEA, THF.
  • Abb. 2: Ein repräsentatives Beispiel eines Infrarot-Spektrums (links) von Molekülen ähnlich den Oligopeptid-Polymer-Konjugaten 5 in organischen Lösungsmittel; der gezeigte Ausschnitt beweist die Aggregation der Moleküle über wohldefinierte Wasserstoffbrückenbindungen; UV/vis-Spektren (Mitte) belichteter Proben beweisen die licht-induzierte Polymerisation der Diacetylen-Einheiten; und rasterkraftmikroskopischen Aufnahmen zeigen rechtsgängige doppelhelikale Fibrillen mit einem Durchmesser von wenigen Nanometern.
  • Abb. 3a): Ausstattung unserer Labors an der EPFL. Im Bild sind die von uns verwendeten Rotationsverdampfer Heidolph Hei-VAP Advantage und die passenden Membranpumpen Vacuubrand PC 3001 Vario zu sehen
  • Abb. 3b): Ausstattung unserer Labors an der EPFL. Für spektroskopische Untersuchungen verwenden wir Geräte der Firma Jasco (rechts).

In der Natur vorkommende Faser- oder Netzwerk-Materialien wie Seide, Collagen oder Holz weisen oft erstaunliche Eigenschaften auf. Eine wesentliche Grundlage dafür ist die Tatsache, dass derartige Biopolymere typischerweise Struktur und Ordnung auf gänzlich verschiedenen Längenskalen aufweisen. So beobachtet man bei Proteinen, als einer wichtigen Klasse von Biopolymeren, neben der sogenannten Primärstruktur, also der molekularen Struktur, welche durch die Aminosäure-Sequenz bestimmt wird, auch höhere Strukturen. Beispiele sind die Sekundärstruktur, das heißt die durch die Primärstruktur vorbestimmte Faltung von Proteinsegmenten in definierte Konformationen (z. B. α-Helices oder β-Faltblätter), die Tertiärstruktur, mit der übergeordnete räumliche Anordnungen der Sekundärstrukturen bezeichnet werden, und schließlich die Quartärstruktur, welche die letztendliche räumliche Struktur der biologisch aktiven Proteine beschreibt. Diese komplexe „hierarchische" Strukturbildung wird in der Natur unter anderem dadurch erreicht, dass die Information zur Ausbildung höherer räumlicher Strukturen bereits auf molekularer Ebene „programmiert" wird. Diese „Selbstorganisation" von Molekülen hin zu funktionalen Materialien dient uns als Vorbild für die Herstellung hierarchisch strukturierter Nanostrukturen aus synthetischen Polymeren [1].


Oligopeptid-Polymer-Konjugate als supramolekulare Bausteine

Ausgangspunkt für unsere Arbeiten sind dabei bestimmte Oligopeptide, also kurze Abschnitte aus Proteinen, die in der Lage sind in sogenannte β-Faltblatt-Strukturen zu aggregieren, ähnlich wie dies auch in biologischen Materialien wie etwa Spinnenseide geschieht [2]. Die Verwendung reiner Oligopeptide ist aus praktischer Sicht allerdings nachteilig, da diese oft schlecht lösliche Aggregate bilden. Dieses Problem kann jedoch durch Anbringen eines endständigen synthetischen Polymers umgangen werden. Die so erhaltenen sogenannten Oligopeptid-Polymer-Konjugate sollten deswegen vielseitig einsetzbare „Bausteine" sein, um in vorhersagbarer Art und Weise die Selbstorganisation von Molekülen in wohldefinierte Nanostrukturen zu erreichen. Um diese Hypothese zu testen, haben wir solche Derivate wie zum Beispiel Verbindung 5 (Abb.

1) in einer mehrschrittigen Synthese hergestellt [3-8]. Diese Moleküle enthalten hydriertes Poly(isopren) als ein nicht-kristallines, flexibles und hydrophobes Polymersegment (blau), welches gute Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln garantiert. Sie verfügen ferner über ein Oligopeptid (grün), das aus vier l-Alanin-Wiederholungseinheiten besteht und in organischen Lösungsmitteln die Selbstorganisation der Moleküle in bandartige β-Faltblatt-Strukturen bewirken sollte. Schließlich wurde eine Diacetylen-Einheit (rot) als reaktive chemische Gruppe eingebaut, die sich nach erfolgreicher Selbstorganisation der Moleküle durch UV-Bestrahlung polymerisieren lässt.

Schrittweise chemische Synthese der Oligopeptid-Polymer-Derivate

Die Herstellung von Derivaten wie 5 (Abb. 1) beginnt mit einer anionischen Polymerisation von Isopren, bei der alle Polymerketten gezielt mit Amin-Endgruppen versehen werden. Nach Hochdruck-Hydrierung zur Entfernung der verbleibenden Doppelbindungen wird dann das Oligopeptid durch schrittweise Kupplungsreaktionen in Lösung aufgebaut, wobei klassische Methoden der Peptid- und Schutzgruppenchemie angewendet werden. Auf ähnliche Weise erfolgt schließlich auch der Einbau des Diacetylen-haltigen Molekülteils, dessen Vorstufen unter anderem mittels Palladium-katalysierter Kohlenstoffkupplungsreaktionen[9] hergestellt wurden. Eine derartige mehrstufige Synthese unter Verwendung aktueller Methoden der organischen Synthese und der Polymerchemie stellt höchste Anforderungen an die Reinheit der Zwischenstufen, Reagenzien und Lösungsmittel. Dabei ist insbesondere die Isolierung der Produkte und ihre Aufreinigung von größter Bedeutung für die Effizienz der gesamten Syntheseroute und setzt dementsprechend eine zeitgemäße Laborausrüstung voraus (siehe Laborausstattung).

Selbstorganisation und Polymerisation der Oligopeptid-Polymer Konjugate

Ähnlich wie biologische Systeme nicht nur Moleküle herstellen, sondern auch deren Einbau in komplexe funktionale Systeme sorgfältig kontrollieren, so synthetisieren wir Moleküle wie 5, um anschließend mit spektroskopischen und bildgebenden Methoden zu untersuchen, in welcher Art und Weise sie Strukturen „höherer Ordnung" im Nanometer- und Mikrometerbereich bilden. So zeigen zum Beispiel Infrarot-Spektren der Oligopeptid-Polymer-Konjugate 5 in organischen Lösungsmitteln die ausgeprägte Bildung von β-Faltblatt-Strukturen mit großer interner Ordnung. Die dadurch erhaltenen Molekülaggregate konnten mittels rasterkraftmikroskopischen Aufnahmen abgebildet werden. Dabei wurden helikal gewundene Fibrillen beobachtet, die viele Mikrometer lang waren und einen typischen Durchmesser von wenigen Nanometern aufwiesen (Abb. 2). Anschließend führten wir erfolgreich eine mit UV-Licht induzierte Polymerisation der Diacetylen-Funktionen in den zu Fibrillen aggregierten Oligopeptid-Polymer-Konjugaten 5 durch und untersuchten die erhaltenen, tiefroten Polymere mit Hilfe von UV/vis- und Raman-Spektroskopie. So konnten Polymere synthetisch hergestellt werden, die ähnlich wie manche Biopolymere in bemerkenswerte, miteinander verdrillte Mehrfach-Helices gefaltet waren. Zur Zeit versuchen wir, die erarbeiteten Methoden für die gezielte Selbstorganisation von Molekülen in helikale Fibrillen auf andere Moleküle zu übertragen, welche Elektronen transportieren können, wenn sie in geeigneter Weise „gestapelt" sind. Auf diese Weise hoffen wir, einen systematischen Zugang zu organischen „Nanodrähten" zu entwickeln, also leitfähigen oder halbleitenden Strukturen im Nanometerbereich auf der Grundlage organischer Moleküle.

Laborausstattung

Geräte für Synthese und Aufreinigung
Unsere Laboratorien an der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) wurden anlässlich des Umzugs unserer Arbeitsgruppe von der ETH Zürich an die EPFL im Januar 2010 komplett neu eingerichtet und sind nach dem neusten Stand der Technik ausgestattet. Auf Grund des Forschungsschwerpunkts unserer Arbeitsgruppe auf dem Gebiet der organischen Synthese sind wir auf zuverlässige Laborgeräte angewiesen, umso mehr wenn es um Geräte geht, die jeden Tag benutzt werden, wie zum Beispiel von Rotationsverdampfer und Magnetrührer (Abb. 3). Der Rotationsverdampfer Hei-VAP Advantage (Heidolph) ist neben den herkömmlichen Bedienungselementen mit Funktionen ausgestattet, die zum Beispiel die Destillation größerer Mengen an Lösungsmitteln bequem und ohne Aufsicht erlauben, wobei sich das Gerät anschließend automatisch ausschaltet. Der präzise Dampfsensor erlaubt einen zuverlässigen Betrieb im Automatik-Modus was speziell bei niedrig siedenden Lösungsmitteln von Nutzen ist. Für das regelmäßige Arbeiten mit korrosiven Lösungsmitteln wie etwa Trifluoressigsäure ist die chemikalienbeständige Vakuumdichtung aus Teflon von Vorteil. Die Magnetrührer MR Hei-End (Heidolph) sind bei uns in nahezu ununterbrochenem Einsatz und weisen eine gute Chemikalienbeständigkeit des Bedienungspanels auf. Das schnelle Heizen von Ölbädern und die gute Temperaturkontrolle tragen erheblich zu effizienter Arbeit im Labor bei.

Vakuumtechnik

Vakuumtechnik ist ein zentraler Bestandteil eines Syntheselabors, insbesondere wenn häufig Reaktionen mit luftempfindlichen Substanzen unter Schutzgasatmosphäre durchgeführt werden müssen. Für unseren Heidolph-Rotationsverdampfer verwenden wir Pumpstände des Typs PC 3001 Vario (Vacuubrand) (Abb. 3), mit denen sich dank integriertem Vakuum-Controller zusammen mit dem präzisen Dampfsensor des Rotationsverdampfers Lösungsmittel vollautomatisch eindampfen lassen. Durch eine Drehzahlregelung arbeitet die Pumpe nur dann, wenn Vakuum benötigt wird, und arbeitet sehr leise. Der integrierte Vakuumregler CVC 3000 findet automatisch den Siedepunkt und führt diesem im Prozessverlauf auch nach. Herzstück aller Arbeitsplätze für die organische Synthese sind Chemie-Hybrid-Pumpen des Typs RC 6, die eine korrosionsoptimierte Kombination einer zweistufigen ölgedichteten Drehschieberpumpe und einer Chemie-Membranpumpe sind. Die Membranpumpe evakuiert permanent den Ölkasten der Drehschieberpumpe und verhindert bei entsprechenden Druck- und Temperaturverhältnissen die Kondensation korrosiver Substanzen im ölgedichteten Teil. Schließlich verwenden wir Netzwerkpumpstände des Typs PC 3004 Vario, sowie die Vakuumnetzwerke Vacuu·LAN (Vacuubrand), um zentral erzeugtes Niedervakuum in unseren Laborräumen an allen Arbeitsplätzen zur Verfügung zu stellen. Da diese Pumpstände und die Netzwerke in dauerhaftem Einsatz sind, ist es wichtig, dass sie korrosionsresistent und belastbar sind, sowie dass sich die Pumpen automatisch abschalten und bei Bedarf wieder zuschalten.

Spektroskopie

Die detaillierte und eindeutige Charakterisierung des Aggregations-Verhaltens der von uns untersuchten Moleküle erfordert die vielfältige Verwendung spektroskopischer Methoden (Abb. 2), wobei Geräte der Firma Jasco genutzt werden (Abb.3.). Den Einfluss der Aggregation auf die Absorption und Emission von Molekülen mit konjugierten Systemen untersuchen wir mit dem Doppelstrahl-UV-VIS-NIR Spektrophotometer V-670, das einen spektralen Bereich von 190-3200 nm abdeckt und somit das Messen bei sehr niedrigen Konzentrationen erlaubt; sowie dem Spektrofluorometer FP-6500, welches ein gutes Signal/Rausch-Verhältnis aufweist.

Die Bildung sogenannter „Wasserstoffbrückenbindungen", die für die Bildung der Aggregate verantwortlich sind, untersuchen wir in Lösung und im Feststoff mit dem Infrarotspektrometer FT/IR-6300. Messungen vom nahen bis ins ferne Infrarot (15‘000-50 cm-1) sind bei einer Scan-Rate von 20 Hz möglich. In Kombination mit dem FT-Raman-Spektrometer RFT-6000 haben wir zudem auch die Möglichkeit, eine Vielzahl von Proben „zerstörungsfrei" zu messen. Die Ramanspektroskopie kommt bei uns hauptsächlich auf dem Forschungsgebiet der nanostrukturierten kohlenstoffreichen Materialien zum Einsatz. Schließlich untersuchen wir die Bildung helikaler Aggregate und Fibrillen mit Hilfe des Circulardichroismus, wofür wir das Spektropolarimeter J-815 benutzen. Ausgestattet mit einem Peltier-Element zur Temperaturregelung konnten wir mit diesem Gerät zeigen, dass sich Fibrillen bei erhöhter Temperatur auflösen, sich unter Abkühlung jedoch wieder wohldefinierte Fibrillen bilden. Alle Geräte der Firma Jasco verwenden die gleiche Software Spectra Manager II, was das Messen und die Auswertung der Daten vereinfacht und daher ein effizientes Arbeiten ermöglicht.

Literatur
[1] Lakes R.: Nature, 361, 511-515 (1993)
[2] Heim M. et al.: Angew. Chem. Int. Ed. 48, 3584-3596 (2009)
[3] Jahnke E. I. et al.: Angew. Chem. Int. Ed. 45, 5383-5386 (2006)
[4] Jahnke E.: Macromol. Biosci. 7, 136-143 (2007)
[5] Frauenrath H. und Jahnke E.: Chem. Eur. J. 14, 2942-2955 (2008)
[6] Weiss J. et al.: Macromol. Rapid Commun., 29, 330-339 (2008)
[7] Weiss J. et al.: Nano Lett. 8, 1660-1666 (2008)
[8] Jahnke E. et al.: Chem. Eur. J. 15, 388-404 (2009)
[9] McGlacken G. P. und. Fairlamb J. S.: Eur. J. Org. Chem., 2009, 4011-4029 (2009)

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