Helix-coil-transition in solid polypeptides

Abstract Poly(L-glutamic acid) (PLGA) was synthesized by living anionic ring-opening polymerization of the NCA monomer, which was obtained by reacting diphosgene with an amino acid derivative. The chemical structures and thermal properties were characterized by 1H-NMR, 13C-NMR, TGA and DSC. XRD powder patterns found to be amorphous for all polymers obtained. The molecular weights could be determined under severe limitations due to low solubility and high aggregation tendency. The secondary structure of the PLGA films was analyzed in the solid state by IR spectroscopy; the order was determined mainly by XRD. Uniform bulk films (1-5 µm) were produced by drop-casting of PLGA solutions in TFA on silica. The XRD film analysis indicated the absence of a long range order or an orientation even if a helical microstructure was confirmed by IR spectroscopy. The coil solvent TFA delivered constantly a helical or a β-sheet structure in the solid state depending on the water content of the solvent which was observed for the first time to exhibit a high influence on the crystallization process for PLGA. Temperature dependent in-situ IR measurements were examined to analyze if a helix-coil transition occurs, but there could be no solvent system determined, which resulted in a disordered coil structure in the solid state. General parameters like solvent systems, evaporation conditions, concentration, substrates etc. were analyzed. New crystallizations were obtained on silica prepared by drop-casting of solutions of PLGA in DMF, DMA, TMU, NMP, and pyridine/water mixtures, respectively. PSCBC in DMF, CDCl3/TFA-d, and PSBC in CDCl3/TFA-d exhibited the same crystalline diffraction patterns like PLGA. The long range order in the X-ray diffraction pattern is proven by extremely sharp crystalline signals, which are not changing the shape or the position of the peak by increasing the temperature up to 160°C. The substrate seems to play a decisive role because the crystalline structures were not obtainable on glass. The crystal structure consists probably of two different layered structures based on the intensity ratios of the two series of crystalline signals in the X-ray diffraction patterns. The source of the layered structure remains unclear and needs further studies to investigate the spatial arrangement of the chains in more detail. The secondary structure was still not changing upon heating even if a highly crystalline diffraction pattern occurs. Concluding that even the newly investigated crystallization did not show a helix-coil transition in the solid state by annealing, the phenomenon known in solution has to be claimed as unachievable in the solid state based on the results of this work. A remaining open question represents the observation that the same crystalline pattern can be reproducibly prepared with exhibiting two different ordered secondary structures (helix and β-sheet). After the investigation that the evaporation time cannot be decisive for the crystal growth, the choice of a strong hydrogen bonding interrupting solvent is most probably the key to support and induce the crystallization process.

Übersicht Poly(L-glutamic acid) (PLGA) wurde synthetisiert durch lebende ringöffnende anionische Polymerisation von NCA Monomeren, die durch die Reaktion von Diphosgen mit einem Aminosäurederivat hergestellt wurden. Die chemische Struktur und die thermischen Eigenschaften wurden charakterisiert durch 1H-NMR, 13C-NMR, TGA und DSC. Die Röntgenpulverdiffraktogramme für alle hergestellten Polymere waren amorph. Die Molekulargewichte konnten trotz geringer Löslichkeit und hoher Aggregationstendenz bestimmt werden. Die Sekundärstruktur der PLGA Filme wurde durch IR Spektroskopie detektiert, während die Ordnung der Filme hauptsächlich durch Röntgenstreuung untersucht wurde. Einheitliche “bulk” Filme (1-5 µm) wurden aus PLGA Lösungen in TFA auf Silizium hergestellt. Die Röntgenstreuungsanalyse der Filme bewies die Abwesenheit einer weit reichenden Ordnung oder einer Orientierung obwohl mit Hilfe der IR Spektroskopie eine helikale Mikrostruktur nachgewiesen werden konnte. Das Knäuellösungsmittel TFA lieferte abhängig von seinem Wassergehalt konstant helikale - oder β-Faltblattstrukturen in den Filmen. Diese Beeinflussung des Kristallisationsverhaltens von PLGA wurde zum ersten Mal beobachtet. Temperaturabhängige „in-situ“ IR Messungen sollten eine mögliche Helix-Knäuel Umwandlung nachweisen, aber es konnte kein Lösungsmittelsystem erforscht werden, das eine ungeordnete Knäuelstruktur im Film aufzeigt. Die allgemeinen Parameter Lösungsmittelsystem, Evaporationsbedingungen, Konzentration, Substrat etc. wurden analysiert. Neue Kristallisationen konnten erforscht werden auf Silizium durch das Gießen von Filmen von PLGA Lösungen in DMF, DMA, TMU, NMP, und Pyridin/Wasser Mischungen. PSCBC in DMF, CDCl3/TFA-d und PSBC in CDCl3/TFA-d zeigten die gleichen kristallinen Streudiagramme wie PLGA. Die weit reichende Ordnung konnte durch extrem scharfe kristalline Signale in der Röntgenstreuung bewiesen werden. Die Form und Position der Signale blieben unverändert während einer temperaturabhängigen Messung bis zu 160°C. Das Substratmaterial scheint eine wichtige Rolle zu spielen, da die kristallinen Strukturen auf Glas nicht reproduzierbar waren. Die kristalline Struktur besteht wahrscheinlich aus einer Mischung von zwei verschiedenen Schichtstrukturen, basierend auf den Intensitätsverhältnissen der zwei kristallinen Signalserien in den Röntgendiffraktogrammen. Die Ursache dieser Schichtstrukturen bleibt vorerst uneindeutig. Weitere Studien sind notwendig um die räumliche Anordnung der Ketten intensiver zu untersuchen. Die Sekundärstruktur blieb auch im Falle einer hoch kristallinen Probe unverändert während der Heizexperimente. Auf der Basis der Ergebnisse dieser Arbeit lässt sich vermuten, dass der in Lösung bekannte Helix-Knäuel Übergang im festen Zustand durch das Aufheizen von Filmen nicht induziert werden kann. Eine offen bleibende Frage repräsentiert die Beobachtung, dass dieselben kristallinen Diffraktogramme reproduziert werden können, obwohl die Sekundärstrukturen unterschiedlich sind (Helix oder β-Faltblatt). Nach der Feststellung, dass die Evaporationszeit nicht die entscheidende Rolle spielt für den Kristallisationsvorgang, ist höchstwahrscheinlich die Wahl eines Lösungsmittels mit starker Tendenz zur Wasserstoffbrückenzerstörung entscheidend für die Induzierung des Kristallisationsprozesses.