Hyperbranched polyether polyols as building blocks for complex macromolecular architectures

The present thesis deals with the development of new branched polymer architectures containing hyperbranched polyglycerol. Materials investigated include hyperbranched oligomers, hyperbranched polyglycerols containing functional initiator-cores at the focal point, well-defined linear-hyperbranched block copolymers and also negatively charged hyperbranched polyelectrolytes.rnHyperbranched oligoglycerols (DPn = 7 and 14) have been synthesized for the first time. The materials show narrow polydispersity (Mw/Mn ca. 1.45) and a very low content in cyclic homopolymers. 13C NMR evidences the dendritic structure of the oligomers and the DB could be calculated (44% and 52%). These new oligoglycerols were compared with the industrial products obtained by polycondensation which exhibit narrow polydispersity (Mw/Mn<1.3) butrnmultimodal distribution in SEC. Detailed 13C NMR and Maldi-ToF studies reveal the presence of branched units and cyclic compounds. In comparison, the hyperbranched oligoglycerols comprise a very low proportion of cyclic homopolymer which render them very interesting materials for biomedical applications for example.rnThe site isolation of the core moiety in dendritic structure offers intriguing potential with respect to peculiar electro-optical properties. Various initiator-cores (n-alkyl amines, UVabsorbing amines and benzophenone) for the ROMBP of glycidol have been tested. The bisglycidolized amine initiator-cores show the best control over the molecular weight and the molecular weight distribution. The photochemical analyses of the naphthalene containingrnhyperbranched polyglycerols show a slight red shift, a pronounced hypochromic effect (decrease of the intensity of the band) compared with the parent model compound and the formation of a relative compact structure. The benzophenone containing polymers adopt an open structure in polar solvents. The fluorescence measurements show a clear “dendritic effect” on the fluorescence intensities and the quantum yield of the encapsulated benzophenone.rnA convenient 3-step strategy has been developed for the preparation of well-defined amphiphilic, linear-hyperbranched block copolymers via hypergrafting. The procedure represents a combination of carbanionic polymerization with the alkoxide-based, controlled ring-opening multibranching polymerization of glycidol. Materials consisting of a polystyrene linear block and a hyperbranched polyglycerol block exhibit narrow polydispersity (1.01-1.02rnfor 5.4% to 27% wt. PG and 1.74 for 52% wt. PG) with a high grafting efficiency. The strategy was also extended to materials with a linear polyisoprene block.rnDetailed investigations of the solution properties of the block copolymers with linear polystyrene blocks show that block copolymer micelles are stabilized by the highly branched block. The morphology of the aggregates is depending on the solvent: in chloroform monodisperse spherical shape aggregates and in toluene ellipsoidal aggregates are formed. On graphite these aggregates show interesting features, giving promising potential applications with respect to the presence of a very dense, functional and stable hyperbranched block.rnThe bulk morphology of the linear-hyperbranched block copolymers has been investigated. The materials with a linear polyisoprene block only behave like complex liquids due to the low Tg and the disordered nature of both components. For the materials with polystyrene, only the sample with 27% wt. hyperbranched polyglycerol forms some domains showing lamellae.rnThe preparation of hyperbranched polyelectrolytes was achieved by post-modification of the hydroxyl groups via Michael addition of acrylonitrile, followed by hydrolysis. In aqueous solution materials form large aggregates with size depending on the pH value. After deposition on mica the structures observed by AFM show the coexistence of aggregates andrnunimers. For the low molecular weight sample (PG 520 g·mol-1) extended and highly ordered terrace structures were observed. Materials were also successfully employed for the fabrication of composite organic-inorganic multilayer thin films, using electrostatic layer-bylayer self-assembly coupled with chemical vapor deposition.

Synthese von selektiv Protease-spaltbaren Nanopartikeln

Diese Arbeit legt, im Rahmen eines interdisziplinären BMBF Projekts, die Grundlage für eine neue, potentielle Früherkennungsmethode für Prostatakrebs. Ausgehend von der Idee, einen sensitiv detektierbaren Farbstoff in selektiv, Hepsin-spaltbare Kapseln einzubringen, wurde ein Modellsystem erarbeitet. Als Zielsubstrat für das Enzym Hepsin wurde die Sequenz RQLRVVGG identifiziert. Basierend auf dem hier entwickelten Modell, könnte in Zukunft eine Detektion von Hepsin und damit von Prostatakrebs im Frühstadium in vivo erfolgen. rnUm das Konzept der Enzymspaltbarkeit zu zeigen,wurden, basierend auf einem Modell,enzymatisch-spaltbare, polymere Nanopartikeldargestellt. In dieser Arbeit konnte die Synthese von vier Generationen spezifisch Protease-spaltbarer, hydrophober Nanopartikel gezeigt werden. Die Enzyme Pepsin und Trypsin, die selektiv die Peptidsequenz GFF spalten, wurden als Modellenzyme für das im Prostatakarzinom überexprimierte Hepsin eingesetzt. rnrnAls Ausgangspolymer diente Poly(styrol-co-acrylsäure), das in freier, radikalischer Polymerisation hergestellt und mit Molekulargewichten zwischen 8500 und 49400 g/mol erhalten wurde. Der Funktionalisierungsgrad wurde zwischen 5 und 16%-Gew. variiert. Die Charakterisierung erfolgte mittels GPC und NMR-Spektroskopie. In einer polymeranalogen Reaktion wurden die Säurefunktionen zu Aminogruppen umgesetzt. Die resultierendenPolymere wurden unter Einsatz der über Jahrzehnte entwickelten, effektiven Peptidkupplungschemie mit enzymspaltbarenPeptiden gekuppelt, um dadurch definierte Peptid-Polymer-Konjugate zu erhalten.Als enzymatisch spaltbarer Teil des Konjugats, wurden mithilfe der Festphasenpeptidsynthese (SPPS),FRET(Fluoreszenz-Resonanz-Energie-Transfer)-markiertePeptide synthetisiert, die auf der Trypsin-spaltbaren Sequenz GFF basierten. Zum Nachweis der Vernetzung der späteren Nanopartikel, wurde zusätzlich einern15N-markierte Aminosäure (Fmoc-(15N)-Glycin) am N-Terminus der Peptide eingebaut, um die Reaktion des Amins zu einem Amid verfolgen zu können.Die Charakterisierung der Peptide erfolgte mittels1H-, 13C-NMR-Spektroskopie, MALDI TOF-MS und HPLC. Aus den Polymeren und dem Peptid wurden Peptid-Polymer-Konjugate hergestellt und die erfolgreiche Anbindung mittels DOSY-NMR-Spektroskopie und HPLC nachgewiesen. Aus den Konjugaten konnten im nächsten Schritt, durch Anwendung des inversen Miniemulsionsprozesses, Nanopartikel formuliertund diese in wässriges Milieu überführt werden. Die Dispersionen konnten mittels PCCS, REM und Zetapotentialmessungen charakterisiert werden, wobei Partikeldurchmesser um 230 nm resultierten. Der Nachweis der Vernetzung des Polymers in den Partikeln konnte durch die Reaktion desrn15N-Amins zu einem 15N-Amid mittels 15N-Festkörper-NMR-Spektroskopie nachverfolgt werden. Abschließend konnten die Partikel durch Trypsin gespalten werden, was durch das eingebaute FRET-Paar über eine in situ Detektion der relativen Fluoreszenz erfolgte. rnIn dieser Arbeit konnten Peptid-vernetzte, Polystyrol basierte Nanopartikel hergestellt und in Heterophase von Trypsin gespalten werden.rn

Metallkomplexe mit sterisch anspruchsvollen mono- und bifunktionellen Triazenidoliganden

Monoanionische, stickstoffhaltige Chelatliganden sind sehr populär und werden oft als Baueinheiten zur Synthese von Metallkomplexen eingesetzt. Im Gegensatz zu den bekannten Amidinat- und β-Diketiminatliganden wurde den Triazeniden bisher weniger Aufmerksamkeit geschenkt. Dies liegt hauptsächlich daran, dass wenige, sterisch anspruchsvolle Vertreter dieser Gruppe bekannt waren. Mit der Synthese neuer biphenyl- und terphenylsubstituierter Triazenide sind diese stärker in den Fokus der Forschung gerückt. Durch die Sperrigkeit der Liganden werden unerwünschte Ligandenumverteilungsreaktionen unterdrückt und der Weg zu neuen Metallkomplexen mit bemerkenswerten Eigenschaften geebnet. Diese Arbeit beschäftigt sich mit Triazenidokomplexen der Alkalimetalle, des Magnesiums, des Zinks und des Aluminiums. Zusätzlich zu den monofunktionellen wurden bifunktionelle Triazene, welche aus einer Biphenylgruppe aufgebaut sind und zwei terphenylsubstituierte Triazengruppen tragen, synthetisiert und deren Funktion als Komplexliganden untersucht. Durch das hohe Volumen der Liganden konnten Metallkomplexe hergestellt werden, die bemerkenswerte strukturelle Eigenschaften aufweisen. So bilden beispielsweise alle dargestellten Verbindungen Kristalle, die aus monomeren Baueinheiten aufgebaut sind. Eine homoleptische Magnesiumverbindung mit zwei Triazenidliganden weist eine ungewöhnliche, planare Koordinationssphäre auf, eine Triazenidodiphenylaluminiumverbindung zeigt eine interessante Ausrichtung der Phenylgruppen, die auf π-Stapeleffekte zurückgeführt wird und die Alkalimetalltriazenide weisen sekundäre Metall-π-Aren-Wechselwirkungen auf, womit eine bessere koordinative Absättigung des Koordinationszentrums erreicht wird. Zusätzlich zur strukturellen Charakterisierung mittels Röntgendiffraktometrie wurden, wo es möglich war 1H und 13C NMR-Messungen durchgeführt, Schmelzpunkte bestimmt sowie IR- und UV-VIS-Spektren aufgenommen. Durch die hohe Dichte an aromatischen Systemen innerhalb der Verbindungen, ist es bei einer dreikernigen Zinktriazenidverbindung gelungen mittels 1H NMR-Messungen die starken Einflüsse des Ringstroms nachzuweisen. Außerdem wurden DFT-Berechnungen durchgeführt, um herauszufinden, wie sehr die räumliche Ausrichtung der Bi- bzw. Terphenylsubstituenten gegenüber der N3-Baugruppe der Triazenide die Verteilung der negativen Ladung innerhalb eines monoanionischen Triazenids und somit dessen Koordinationseigenschaften beeinflusst. Diese Effekte konnten durch experimentelle Ergebnisse unterstützt werden.

Synthetic routes toward functional block copolymers and bioconjugates via RAFT polymerization

Synthetic Routes toward Functional Block Copolymers and Bioconjugates via RAFT PolymerizationrnSynthesewege für funktionelle Blockcopolymere und Biohybride über RAFT PolymerisationrnDissertation von Dipl.-Chem. Kerstin T. WissrnIm Rahmen dieser Arbeit wurden effiziente Methoden für die Funktionalisierung beider Polymerkettenenden für Polymer- und Bioanbindung von Polymeren entwickelt, die mittels „Reversible Addition-Fragmentation Chain Transfer“ (RAFT) Polymerisation hergestellt wurden. Zu diesem Zweck wurde ein Dithioester-basiertes Kettentransferagens (CTA) mit einer Aktivestereinheit in der R-Gruppe (Pentafluorphenyl-4-phenylthiocarbonylthio-4-cyanovaleriansäureester, kurz PFP-CTA) synthetisiert und seine Anwendung als universelles Werkzeug für die Funktionalisierung der -Endgruppe demonstriert. Zum Einen wurde gezeigt, wie dieser PFP-CTA als Vorläufer für die Synthese anderer funktioneller CTAs durch einfache Aminolyse des Aktivesters genutzt werden kann und somit den synthetischen Aufwand, der üblicherweise mit der Entwicklung neuer CTAs verbunden ist, reduzieren kann. Zum Anderen konnte der PFP-CTA für die Synthese verschiedener Poly(methacrylate) mit enger Molekulargewichtsverteilung und wohl definierter reaktiver -Endgruppe verwendet werden. Dieses Kettenende konnte dann erfolgreich mit verschiedenen primären Aminen wie Propargylamin, 1-Azido-3-aminopropan und Ethylendiamin oder direkt mit den Amin-Endgruppen verschiedener Peptide umgesetzt werden.rnAus der Reaktion des PFP-CTAs mit Propargylamin wurde ein Alkin-CTA erhalten, der sich als effizientes Werkzeug für die RAFT Polymerisation verschiedener Methacrylate erwiesen hat. Der Einbau der Alkin-Funktion am -Kettenende wurde mittels 1H und 13C NMR Spektroskopie sowie MALDI TOF Massenspektroskopie bestätigt. Als Modelreaktion wurde die Kopplung eines solchen alkin-terminierten Poly(di(ethylenglykol)methylethermethacrylates) (PDEGMEMA) mit azid-terminiertem Poly(tert-butylmethacrylat), das mittels Umsetzung einer Aktivester-Endgruppe erhalten wurde, als kupferkatalysierte Azid-Alkin-Cycloaddition (CuAAC) durchgeführt. Die Aufarbeitung des resultierenden Diblockcopolymers durch Fällen ermöglichte die vollständige Abtrennung des Polymerblocks 1, der im Überschuss eingesetzt wurde. Darüber hinaus blieb nur ein sehr kleiner Anteil (< 2 Gew.-%) nicht umgesetzten Polymerblocks 2, was eine erfolgreiche Polymeranbindung und die Effizienz der Endgruppen-Funktionalisierung ausgehend von der Aktivester--Endgruppe belegt.rnDie direkte Reaktion von stimuli-responsiven Polymeren mit Pentafluorphenyl(PFP)ester-Endgruppen, namentlich PDEGMEMA und Poly(oligo(ethylenglykol)methylethermethacrylat), mit kollagen-ähnlichen Peptiden ergab wohl definierte Polymer-Peptid-Diblockcopolymere und Polymer-Peptid-Polymer-Triblockcopolymer unter nahezu quantitativer Umsetzung der Endgruppen. Alle Produkte konnten vollständig von nicht umgesetztem Überschuss des Homopolymers befreit werden. In Analogie zu natürlichem Kollagen und dem nicht funktionalisierten kollagen-ähnlichen Peptid bilden die PDEGMEMA-basierten, entschützten Hybridcopolymere Trimere mit kollagen-ähnlichen Triple-Helices in kalter wässriger Lösung, was mittels Zirkular-Dichroismus-Spektroskopie (CD) nachgewiesen werden konnte. Temperaturabhängige CD-Spektroskopie, Trübungsmessungen und dynamische Lichtstreuung deuteten darauf hin, dass sie bei höheren Temperaturen doppelt stimuli-responsive Überstrukturen bilden, die mindestens zwei konformative Übergänge beim Aufheizen durchlaufen. Einer dieser Übergänge wird durch den hydrophoben Kollaps des Polymerblocks induziert, der andere durch Entfalten der kollagen-ähnlichen Triple-Helices.rnAls Ausweitung dieser synthetischen Strategie wurde homotelecheles PDEGMEMA mit zwei PFP-Esterendgruppen dargestellt, wozu der PFP-CTA für die Funktionalisierung der -Endgruppe und die radikalische Substitution des Dithioesters durch Behandlung mit einem Überschuss eines funktionellen AIBN-Derivates für die Funktionalisierung der -Endgruppe ausgenutzt wurde. Die Umsetzung der beiden reaktiven Kettenenden mit dem N-Terminus eines Peptidblocks ergab ein Peptid-Polymer-Peptid Triblockcopolymer.rnSchließlich konnten die anorganisch-organischen Hybridmaterialien PMSSQ-Poly(2,2-diethoxyethylacrylat) (PMSSQ-PDEEA) und PMSSQ-Poly(1,3-dioxolan-2-ylmethylacrylat) (PMSSQ-PDMA) für die Herstellung robuster, peptid-reaktiver Oberflächen durch Spin Coaten und thermisch induziertes Vernetzen angewendet werden. Nach saurem Entschützen der Acetalgruppen in diesen Filmen konnten die resultierenden Aldehydgruppen durch einfaches Eintauchen in eine Lösung mit einer Auswahl von Aminen und Hydroxylaminen umgesetzt werden, wodurch die Oberflächenhydrophilie modifiziert werden konnte. Darüber hinaus konnten auf Basis der unterschiedlichen Stabilität der zwei hier verglichenen Acetalgruppen Entschützungsprotokolle für die exklusive Entschützung der Diethylacetale in PMSSQ-PDEEA und deren Umsetzung ohne Entschützung der zyklischen Ethylenacetale in PMSSQ-PDMA entwickelt werden, die die Herstellung multifunktioneller Oberflächenbeschichtungen z.B. für die Proteinimmobilisierung ermöglichen.

Silk Fibroin: a biopolymer platform for innovative pharmaceutical formulation and biomedical devices.

The protein silk fibroin (SF) from the silkworm Bombyx mori is a FDA-approved biomaterial used over centuries as sutures wire. Importantly, several evidences highlighted the potential of silk biomaterials obtained by using so-called regenerated silk fibroin (RSF) in biomedicine, tissue engineering and drug delivery. Indeed, by a water-based protocol, it is possible to obtain protein water-solution, by extraction and purification of fibroin from silk fibres. Notably, RSF can be processed in a variety of biomaterials forms used in biomedical and technological fields, displaying remarkable properties such as biocompatibility, controllable biodegradability, optical transparency, mechanical robustness. Moreover, RSF biomaterials can be doped and/or chemical functionalized with drugs, optically active molecules, growth factors and/or chemicals In this view, activities of my PhD research program were focused to standardize the process of extraction and purification of protein to get the best physical and chemical characteristics. The analysis of the chemo-physical properties of the fibroin involved both the RSF water-solution and the protein processed in film. Chemo-physical properties have been studied through: vibrational (FT-IR and Raman-FT) and optical (absorption and emission UV-VIS) spectroscopy, nuclear magnetic resonance (1H and 13C NMR), thermal analysis and thermo-gravimetric scan (DSC and TGA). In the last year of my PhD, activities were focused to study and define innovative methods of functionalization of the silk fibroin solution and films. Indeed, research program was the application of different methods of manufacturing approaches of the films of fibroin without the use of harsh treatments and organic solvents. New approaches to doping and chemical functionalization of the silk fibroin were studied. Two different methods have been identified: 1) biodoping that consists in the doping of fibroin with optically active molecules through the addition of fluorescent molecules in the standard diet used for the breeding of silkworms; 2) chemical functionalization via silylation.

Nanocapsules for self-healing materials

Im Rahmen dieser Arbeit wurden neue Ansätze für das Konzept der kapselbasierten Selbstheilungsmaterialien untersucht. Die Verkapselung von Selbstheilungsreagenzien in funktionellen Nanokapseln wurde dabei mittels drei verschiedener Herstellungsmethoden in Miniemulsion durchgeführt. Zunächst wurde die Synthese von Kern-Schale-Partikeln mit verkapselten Monomeren für die Ringöffnungs-Metathese-Polymerisation über freie radikalische Polymerisation in Miniemulsionstropfen beschrieben. Durch orthogonale Reaktionen wurden dabei verschiedene chemische Funktionalisierungen in die Schale eingebracht. Die Rolle des Tensides, das Verhältnis von Kernmaterial zu Monomer sowie die Variation der Lösungsmittelqualität hatte dabei einen Einfluss auf die Struktur der Kolloide. Die Heilungsreagenzien blieben auch nach der Verkapselung aktiv, was durch erfolgreich durchgeführte Selbstheilungsexperimente gezeigt werden konnte. Im zweiten Abschnitt wurde die Synthese von Silica-Nanocontainern für Selbstheilungsmaterialien über Hydrolyse und Polykondensation von Alkoxysilanen an der Grenzfläche der Miniemulsionstropfen beschrieben. Dieser Ansatz ermöglichte die effiziente Verkapselung sowohl von Monomeren als auch von Lösungen der Katalysatoren für die Metathese-Polymerisation in einem Einstufenprozess. Die Größe der Kapseln, die Dicke der Schale und der Feststoffgehalt der Dispersionen konnte dabei in einem weiten Bereich variiert werden. Anhand von erfolgreich durchgeführten Selbstheilungsreaktionen, die über Thermogravimetrie und 13C-NMR-Spektroskopie verfolgt wurden, konnte gezeigt werden, dass die Selbstheilungsreagenzien nach der Verkapselung aktiv blieben. Das dritte Konzept behandelte die Herstellung von polymeren Nanokapseln mittels Emulsions-Lösungsmittelverdampfungstechnik, welche eine milde Methode zur Verkapselung darstellt. Es wurde eine allgemeine und einfache Vorgehensweise beschrieben, in der Selbstheilungsreagenzien in polymeren Nanokapseln unter Verwendung von kommerziell erhältlichen Polymeren als Schalenmaterial verkapselt wurden. Zudem wurden Copolymere aus Styrol und verschiedenen hydrophilen Monomeren über freie radikalische Polymerisation sowie über polymeranaloge Reaktionen hergestellt. Diese statistischen Copolymere waren ebenso wie Blockcopolymere zur Herstellung von wohldefinierten Kern-Schale-Nanopartikeln mittels Emulsions-Lösungsmittelverdampfungsprozess geeignet. rnrnDes Weiteren wurde ein neues Konzept für die Synthese von pH-responsiven Nanokapseln aus tensidfreien Emulsionen unter Verwendung von Copolymeren aus Styrol und Trimethylsilylmethacrylat beschrieben. Der vorgeschlagene synthetische Ansatz ermöglicht dabei die erste Synthese von Nanokapseln über den Emulsions-Lösungsmittelverdampfungsprozess in Abwesenheit eines Tensides. Eine vollständig reversible Aggregation ermöglichte eine leichte Trennung der Nanokapseln von der kontinuierlichen Phase sowie eine Erhöhung der Konzentration der Nanokapseldispersionen auf das bis zu fünffache. Darüber hinaus war es möglich, Selbstheilungsreagenzien in stabilem Zustand zu verkapseln. Abschließend wurde die elektrochemische Abscheidung von mit Monomer gefüllten Nanokapseln in eine Zinkschicht zur Anwendung im Korrosionsschutz behandelt.

Multifunctional polyether architectures : versatile materials for surface attachment and functionalization

Chapter 1 of this thesis comprises a review of polyether polyamines, i.e., combinations of polyether scaffolds with polymers bearing multiple amino moieties. Focus is laid on controlled or living polymerization methods. Furthermore, fields in which the combination of cationic, complexing, and pH-sensitive properties of the polyamines and biocompatibility and water-solubility of polyethers promise enormous potential are presented. Applications include stimuli-responsive polymers with a lower critical solution temperature (LCST) and/or the ability to gel, preparation of shell cross-linked (SCL) micelles, gene transfection, and surface functionalization.rnIn Chapter 2, multiaminofunctional polyethers relying on the class of glycidyl amine comonomers for anionic ring-opening polymerization (AROP) are presented. In Chapter 2.1, N,N-diethyl glycidyl amine (DEGA) is introduced for copolymerization with ethylene oxide (EO). Copolymer microstructure is assessed using online 1H NMR kinetics, 13C NMR triad sequence analysis, and differential scanning calorimetry (DSC). The concurrent copolymerization of EO and DEGA is found to result in macromolecules with a gradient structure. The LCSTs of the resulting copolymers can be tailored by adjusting DEGA fraction or pH value of the environment. Quaternization of the amino moieties by methylation results in polyelectrolytes. Block copolymers are used for PEGylated gold nanoparticle formation. Chapter 2.2 deals with a glycidyl amine monomer with a removable protecting group at the amino moiety, for liberation of primary amines at the polyether backbone, which is N,N-diallyl glycidyl amine (DAGA). Its allyl groups are able to withstand the harsh basic conditions of AROP, but can be cleaved homogeneously after polymerization. Gradient as well as block copolymers poly(ethylene glycol)-PDAGA (PEG-PDAGA) are obtained. They are analyzed regarding their microstructure, LCST behavior, and cleavage of the protecting groups. rnChapter 3 describes applications of multi(amino)functional polyethers for functionalization of inorganic surfaces. In Chapter 3.1, they are combined with an acetal-protected catechol initiator, leading to well-defined PEG and heteromultifunctional PEG analogues. After deprotection, multifunctional PEG ligands capable of attaching to a variety of metal oxide surfaces are obtained. In a cooperative project with the Department of Inorganic and Analytical Chemistry, JGU Mainz, their potential is demonstrated on MnO nanoparticles, which are promising candidates as T1 contrast agents in magnetic resonance imaging. The MnO nanoparticles are solubilized in aqueous solution upon ligand exchange. In Chapter 3.2, a concept for passivation and functionalization of glass surfaces towards gold nanorods is developed. Quaternized mPEG-b-PqDEGA diblock copolymers are attached to negatively charged glass surfaces via the cationic PqDEGA blocks. The PEG blocks are able to suppress gold nanorod adsorption on the glass in the flow cell, analyzed by dark field microscopy.rnChapter 4 highlights a straightforward approach to poly(ethylene glycol) macrocycles. Starting from commercially available bishydroxy-PEG, cyclic polymers are available by perallylation and ring-closing metathesis in presence of Grubbs’ catalyst. Purification of cyclic PEG is carried out using α-cyclodextrin. This cyclic sugar derivative forms inclusion complexes with remaining unreacted linear PEG in aqueous solution. Simple filtration leads to pure macrocycles, as evidenced by SEC and MALDI-ToF mass spectrometry. Cyclic polymers from biocompatible precursors are interesting materials regarding their increased blood circulation time compared to their linear counterparts.rnIn the Appendix, A.1, a study of the temperature-dependent water-solubility of polyether copolymers is presented. Macroscopic cloud points, determined by turbidimetry, are compared with microscopic aggregation phenomena, monitored by continuous wave electron paramagnetic resonance (CW EPR) spectroscopy in presence of the amphiphilic spin probe and model drug (2,2,6,6-tetramethylpiperidin-1-yl)oxyl (TEMPO). These thermoresponsive polymers are promising candidates for molecular transport applications. The same techniques are applied in Chapter A.2 to explore the pH-dependence of the cloud points of PEG-PDEGA copolymers in further detail. It is shown that the introduction of amino moieties at the PEG backbone allows for precise manipulation of complex phase transition modes. In Chapter A.3, multi-hydroxyfunctional polysilanes are presented. They are obtained via copolymerization of the acetal-protected dichloro(isopropylidene glyceryl propyl ether)methylsilane monomer. The hydroxyl groups are liberated through acidic work-up, yielding versatile access to new multifunctional polysilanes.

The Effects of Pi-Pi Stacking on the Controlled Radical Polymerization of Vinyl Aromatics

The atom transfer radical polymerization (ATRP) of styrene (St) was conducted in the presence of varying equivalence (eq) of hexafluorobenzene (HFB) and octafluorotoluene (OFT) to probe the effects of pi-pi stacking on the rate of the polymerization and on the tacticity of the resulting polystyrene (PSt). The extent of the pi-pi stacking interaction between HFB/OFT and the terminal polystyrenic phenyl group was also investigated as a function of solvent, both non-aromatic solvents (THF and hexanes) and aromatic solvents (benzene and toluene). In all cases the presence of HFB or OFT resulted in a decrease in monomer conversion indicating a reduction in the rate of the polymerization with greater retardation of the rate with increase eq of HFB or OFT (0.5 eq to 1 eq HFB/OFT compared to St). Additionally, when aromatic solvents were used instead of non-aromatic solvents the effect of the HFB/OFT on the rate was minimized, consistent with the aromatic solvent competitively interacting with the HFB/OFT. The effects of temperature and ligand strength on the ATRP of St in the presence of HFB were also probed. It was found that when using N,N,N’,N’,N’’-pentamethyldiethylenetriamine (PMDETA) as the ligand the effects of HFB at 38o were the same as at 86oC. When tris[2-(dimethylamino)ethyl]-amine (Me6TREN) was used as the ligand at 38o there was a decrease in monomer conversion similar to the analogous PMDETA reaction. When the polymerization was conducted at 86oC there was no effect on the monomer conversion with HFB present compared to when HFB was absent. To investigate the pi-pi stacking effect even further, the reverse pi-pi stacking system was observed by conducting the ATRP of pentafluorostyrene (PFSt) in the presence of varying eq of benzene and toluene, which in both cases resulted in an increase in monomer conversion compared to when benzene or toluene were absent; in summary the rate of the ATRP of PFSt increases when benzene or toluene waas present in the reaction. The pi-pi stacking interaction between the HFB/OFT and the dormant alkyl bromide of the polymer chain was verified by 1H-NMR with 1-bromoethylbenzene as the alkyl bromide. Also verified by 1H-NMR was the interaction between HFB/OFT and St and the interaction between PFSt and benzene. In all 1H-NMR spectra a perturbation in the aromatic and/or vinyl peaks was observed when the pi-pi stacking agent was present compared to when it was absent. The tacticity of the PSt formed in the presence of 1 eq of HFB was compared to the PSt formed in the absence of HFB by observing the C1 signal in their 13C-NMR spectra, but no change in shape or chemical shift of the signal was observed indicating that there was no change in tacticity.

Synthesis of chiral ferrosalen ligands and their applications in asymmetric catalysis

A new series of chiral ferrosalen ligands was designed and synthesized. The special feature of the ferrosalen ligands is that the chirality originated from the planar chiral ferrocenyl structure. For most known salen ligands, chirality comes from central and axial chiral centers. The key building block for the construction of these ferrosalen ligands was synthesized stereoselectively by a chiral auxiliary approach. This approach does not consume any chiral material, and does not require chiral HPLC resolution. Using this method, nine ligands were prepared using ferrocene as the starting material. In addition, the steric hindrance was modulated by changing the cyclopentadienyl group to the more bulky pentamethylcyclopentadienyl- and pentaphenylcyclopentadienyl- groups. The structure of these ligands was established by 1H and 13C NMR. The structure of a ferrosalen-Cu (II) complex was determined by single crystal X-ray diffraction analysis. All the chiral ferrosalen ligands were tested in catalytic asymmetric reactions including enantioselective carbonyl-ene reaction, enantioselective Strecker-type reaction and enantioselective silylcyanation. For the carbonyl-ene reaction, up to 99% yield and 29% enantiomeric excess (ee) were obtained using ligand-Co (III) as the catalysts; For the Strecker-type reaction, a maximum of 20% ee was obtained using ligand-AlCl as the catalyst; For the silylcyanation reaction, up to 99% yield and 26% ee were obtained using ligand-AlCl as the catalyst.

Synthesis, spectral, and anti-microbial studies of thioiminium iodides and amine hydrochlorides

To avoid the undesired deprotonation during the addition of organolithium and organomagnesium reagents to ketones, the thioiminium salts, easily prepared from lactams and amides are converted into 2,2-disubstituted and 2-monosubstituted amines by reaction with simple nucleophiles such as organocerium and organocopper reagents. The reaction of thioiminium iodides with organocerium reagents derived by transmetalation of corresponding lithium reagents with anhydrous cerium(III) chloride has been investigated. These thioiminium iodides act as good electrophiles and accept alkylceriums towards bisaddition. The newly synthesized amines have been characterized by 1H and 13C NMR, IR and mass spectra. The amines have been converted into their hydrochlorides and characterized by COSY. These hydrochlorides have been subjected to antimicrobial screening with clinically isolated microorganisms, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Pseudomonas aeruginosa, Salmonella typhi and Candida albicans. The hydrochlorides show quite good activity against these bacteria and fungus.

Stand scale variability of topsoil organic matter composition in a high-elevation Norway spruce forest ecosystem

Our knowledge about the effect of single-tree influence areas on the physicochemical properties of the underlying mineral soil in forest ecosystems is still limited. This restricts our ability to adequately estimate future changes in soil functioning due to forest management practices. We studied the stand scale spatial variation of different soil organic matter species investigated by 13C NMR spectroscopy, lignin phenol and neutral sugar analysis under an unmanaged mountainous high-elevation Norway spruce (Picea abies L.) forest in central Europe. Multivariate geostatistical approaches were applied to relate the spatial patterns of the different soil organic matter species to topographic parameters, bulk density, oxalate- and dithionite-extractable iron, pH, and the impact of tree distribution. Soil samples were taken from the mineral top soil. Generally, the stand scale distribution patterns of different soil organic matter compounds could be divided into two groups: Those compounds, which were significantly spatially correlated with topography/altitude and those with small scale spatial pattern (range ≤ 10 m) that was closely related to tree distribution. The concentration of plant-derived soil organic matter components, such as lignin, at a given sampling point was significantly spatially related to the distance of the nearest tree (p ≤ 0.05). In contrast, the spatial distribution of mainly microbial-derived compounds (e.g. galactose and mannose) could be attributed to the dominating impact of small-scale topography and the contribution of poorly crystalline iron oxides that were significantly larger in the central depression of the study site compared to crest and slope positions. Our results demonstrate that topographic parameters dominate the distribution of overall topsoil organic carbon (OC) stocks at temperate high-elevation forest ecosystems, particularly in sloped terrain. However, trees superimpose topography-controlled OC biogeochemistry beneath their crown by releasing litter and changing soil conditions in comparison to open areas. This may lead to distinct zones with different mechanisms of soil organic matter degradation and also stabilization in forest stands.

Drained thaw-lake basin soil characteristics of cores from Barrow, Alaska

Arctic soils contain a large fraction of Earth's stored carbon. Temperature increases in the Arctic may enhance decomposition of this stored carbon, shifting the role of Arctic soils from a net sink to a new source of atmospheric CO2. Predicting the impact of Arctic warming on soil carbon reserves requires knowledge of the composition of the stored organic matter. Here, we employ solid state 13C nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and Fourier transform infrared-photoacoustic spectroscopy (FTIR-PAS) to investigate the chemical composition of soil organic matter collected from drained thaw-lake basins ranging in age from 0 to 5500 years before present (y BP). The 13C NMR and FTIR-PAS data were largely congruent. Surface horizons contain relatively large amounts of O-alkyl carbon, suggesting that the soil organic matter is rich in labile constituents. Soil organic matter decreases with depth with the relative amounts of O-alkyl carbon decreasing and aromatic carbon increasing. These data indicate that lower horizons are in a more advanced stage of decomposition than upper horizons. Nonetheless, a substantial fraction of carbon in lower horizons, even for ancient thaw-lake basins (2000-5500 y BP), is present as O-alkyl carbon reflecting the preservation of intrinsically labile organic matter constituents. Climate change-induced increases in the depth of the soil active layer are expected to accelerate the depletion of this carbon.

Lupane triterpenes from the leaves of the tropical rain forest tree Hopea odorata Roxb. and their cytotoxic activities, supplementary information

Chromatographic fractionation of the cytotoxic n-hexane extract of Hopea odorata Roxb. leaves led to the isolation of eight lupane triterpenes, which constitutes the first report of lupane-type triterpenes from this plant source. Furthermore, 3,30-dioxolup-20(29)-en-28-oic acid (6) was isolated for the first time from a natural source. Their structures were determined on the basis of spectroscopic methods, including 2D NMR analysis, and by comparison of their spectral data with literature values. Complete NMR assignments of the 1H and 13C NMR data were achieved for all compounds. Finally, the cytotoxic activities of the isolated compounds against four human cell lines (PC3, MDA-MB-231, HT-29 and HCT116) was also reported.

(Table 1) Experimental data for kerogens from DSDP Hole 41-368

Potassium permanganate oxidative degradations were conducted for kerogens isolated from Cretaceous black shales (DSDP Leg 41, Site 368), thermally altered during the Miocene by diabase intrusions and from unaltered samples heated under laboratory conditions (250-500°C). Degradation products of less altered kerogens are dominated by normal C4-C15 alpha,omega-dicarboxylic acids, with lesser amounts of n-C16 and n-C18 monocarboxylic acids, and benzene mono-to-tetracarboxylic acids. On the other hand, thermally altered kerogens show benzene di-to-tetracarboxylic acids as dominant degradation products, with lesser or no amounts (variable depending on the degree of thermal alteration) of alpha,omega-dicarboxylic acids. Essentially no differences between the oxidative degradation products of naturally- and artificially-altered kerogens are observed. As a result of this study, five indices of aromatization (total aromatic acids/kerogen; apparent aromaticity; benzenetetracarboxylic acids/total aromatic acids; benzene-1,2-dicarboxylic acid/benzenedicarboxylic acids; benzene-1,2,3-tricarboxylic acid/benzenetricarboxylic acids) and two indices of aliphatic character (Total aliphatic acids/kerogen; Aliphaticity) are proposed to characterize the degree of thermal alteration of kerogens. Furthermore, a good correlation is observed between apparent aromaticity estimated by the present KMnO4 oxidation method and that from the 13C NMR method (Dennis et al., 1982; doi:10.1016/0016-7037(82)90046-1).

Rapid polyether cleavage via extracellular one-electron oxidation by a brown-rot basidiomycete

Fungi that cause brown rot of wood are essential biomass recyclers and also the principal agents of decay in wooden structures, but the extracellular mechanisms by which they degrade lignocellulose remain unknown. To test the hypothesis that brown-rot fungi use extracellular free radical oxidants as biodegradative tools, Gloeophyllum trabeum was examined for its ability to depolymerize an environmentally recalcitrant polyether, poly(ethylene oxide) (PEO), that cannot penetrate cell membranes. Analyses of degraded PEOs by gel permeation chromatography showed that the fungus cleaved PEO rapidly by an endo route. 13C NMR analyses of unlabeled and perdeuterated PEOs recovered from G. trabeum cultures showed that a major route for depolymerization was oxidative C—C bond cleavage, a reaction diagnostic for hydrogen abstraction from a PEO methylene group by a radical oxidant. Fenton reagent (Fe(II)/H2O2) oxidized PEO by the same route in vitro and therefore might account for PEO biodegradation if it is produced by the fungus, but the data do not rule out involvement of less reactive radicals. The reactivity and extrahyphal location of this PEO-degrading system suggest that its natural function is to participate in the brown rot of wood and that it may enable brown-rot fungi to degrade recalcitrant organopollutants.