„Synthese von smarten Blockcopolymeren
für die mizellare Organokatalyse“
Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor rerum naturalium
(Dr. rer. nat.)
vorgelegt
der Fakultät für Naturwissenschaften
der Universität Paderborn
von
Dipl.-Chem. Artjom Döring
geboren am 03. Juni 1982 in Rybniza (Moldawien)
Gutachter: Prof. Dr. rer. nat. habil. Dirk Kuckling
Prof. Dr. phil. habil. Renè Wilhelm
eingereicht am: 03. Februar 2012
Tag der Verteidigung: 02. März 2012
meiner Familie
und meinen engen Freunden
„Diejenigen, die in ihrer Jugend lernen, werden sich zur Vollendung erheben.
Diejenigen, die als Erwachsene lernen, werden ihre Vitalität bis ins hohe Alter bewahren.
Diejenigen, die im Alter lernen, werden ewig leben.“
aus Genshi Shiroku (Vier Essays über die Sprache und Willenskraft)
von Issai Sato
deutsche Übersetzung zitiert aus dem Buch „Aikido und Zen“
von Shigeo Kamata und Kenji Shimizu
Abstract
During the last decade new strategies in chemical reaction engineering evolved in
order to facilitate the handling as well as to improve the efficiency of chemical
reactions (Facilitated Synthesis). These developments are mostly dedicated to meet
the requirements of “Green Chemistry”. One important issue in this field of research
deals with techniques for efficient catalyst separation and recycling. Catalyst
immobilization on polymeric scaffolds provides not only improved catalyst stability
and solubility, but also an easy workup including filtration or zentrifugation
techniques. Additionally, the implementation of stimuli-sensitive polymeric carriers
offers the possibility of controlling the reaction progress by altering environmental
conditions. Further aspects of “Green Chemistry” include the use of environmentally
friendly solvents and improved energy efficiency. Utilizing micelles as nanoreactors
provides the possibility to conduct chemical reactions in aqueous media under mild
conditions.
Organocatalysis has developed to be a valueable tool for asymmetric synthesis of
complex molecules by bridging the gap between transion metal and enzyme
catalysis. Nevertheless, relatively large amounts of catalyst are usually required to
obtain high yields as well as good stereoselectivity. Once the reaction is finished, this
large amount of organocatalyst needs to be elaborately separated.
In the present work several temperature-responsive block copolymers were
synthesized using a controlled radical polymerization technique (ATRP). These block
copolymers are potentially useful as polymeric catalyst carriers for micellar catalysis.
Furthermore a polymerizable derivate of an organocatalyst based on
L
-proline was
obtained after a three-step synthesis and incorporated into the temperature-
responsive block by controlled radical copolymerization. All of the synthesized block
copolymers showed temperature-induced aggregation forming potential nanoreactors
for micellar catalysis. Finally, the catalytic activity of the immobilized organocatalyst
was investigated under homogenious and heterogeneous reaction conditions.
Kurzzusammenfassung
In den letzten Jahren zielten zahlreiche wissenschaftliche und verfahrenstechnische
Entwicklungen darauf ab, chemische Synthesen in Bezug auf ihre Anwendbarkeit zu
verbessern (Facilitated Synthesis). Aktuelle Konzepte und Strategien zur Verbes-
serung von chemischen Prozessen stehen im Einklang mit den Prinzipien einer
nachhaltigen „Grünen Chemie“ (Green Chemistry). Dazu zählen auch effiziente
Verfahren zur Abtrennung und Wiederverwertung von Katalysatoren. Diesbezüglich
bietet die Immobilisierung des Katalysators auf polymeren Trägern eine Möglichkeit,
die Stabilität und Löslichkeit des Katalysators zu verbessern sowie auch die
Abtrennung des Katalysators über simple Filtrations- bzw. Zentrifugationstechniken
zu vereinfachen. Der Einsatz von stimuli-sensitiven polymeren Trägern bietet
darüberhinaus die Möglichkeit die Katalysatoraktivität und damit den Reaktions-
verlauf durch äußere Reize zu beeinflussen. Weitere Aspekte der „Grünen Chemie“
sind die Verwendung von umweltfreundlichen Lösungsmitteln und eine optimale
Energieeffizienz bei chemischen Reaktionen. Diese Kriterien lassen sich durch
Anwendung der mizellaren Katalyse erfüllen, bei der klassiche chemische
Reaktionen in wässrigem Medium bei milden Reaktionsbedingungen durchführen
lassen.
Die Organokatalyse zählt zu den wichtigsten Methoden bei asymmetrischen
Synthesen von komplexen Molekülen. Dennoch benötigt man zumeist eine hohe
Katalysatormenge, um hohe Umsätze und gute Stereoselektivitäten zu erreichen.
Nach der Reaktion muss dieser Organokatalysator oft aufwendig abgetrennt werden.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene temperatursensitive
Blockcopolymere über kontrollierte radikalische Polymerisation (ATRP) hergestellt.
Diese Blockcopolymere können als potentielle Trägermaterialien für Katalysatoren
bei der mizellaren Katalyse eingesetzt werden. Zudem wurde ein polymerisations-
fähiges Derivat eines Organokatalysators auf Basis von
L
-Prolin synthetisiert und
durch kontrollierte Copolymerisation in den temperatursensitiven Block eingebaut.
Alle Blockcopolymere zeigten eine temperaturinduzierte Aggregation. Letztendlich
wurde die katalytische Aktivität des immobilisierten Organokatalysators unter homo-
genen und heterogen Reaktionsbedingungen getestet.
Inhaltsverzeichnis
6
1. Einleitung 9
1.1. Problemstellung 9
1.2. Zielstellung 12
1.3. Aufgabenstellung 12
2. Theoretische Grundlagen 14
2.1. Sensitive Polymere 14
2.1.1. Temperatursensitive Polymere 16
2.1.2. pH-sensitive Polymere 22
2.1.3. Sensitivität gegenüber anderen Stimuli 25
2.2. Kontrollierte radikalische Polymerisation 26
2.2.1. Freie radikalische Polymerisation und ihre Grenzen 26
2.2.2. Prinzip und Merkmale der kontrollierten radikalischen Polymerisation 28
2.2.3. Reversible Addition Fragmentation Chain Transfer Radical Polymerization (RAFT) 32
2.2.4. Nitroxide Mediated Radical Polymerization (NMRP) 34
2.2.5. Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP) 36
2.3. Blockcopolymere 43
2.3.1. Strategien zur Synthese von AB-Diblockcopolymeren 44
2.3.2. Selbstorganisation von Blockcopolymeren in selektiven Lösungsmitteln 47
2.3.3. Temperatursensitive AB-Diblockcopolymere in wässrigen Systemen 50
2.4. Organokatalyse durch Pyrrolidin-Derivate 53
2.5. Polymere Träger für Katalysatoren 57
2.5.1. Temperatursensitive Polymere für die mizellare Katalyse 58
2.5.2. Immobilisierung von
L
-Prolin auf polymeren Trägern 61
3. Experimenteller Teil 64
3.1. Chemikalien 64
3.1.1. Lösungsmittel 64
3.1.2. Chemikalien 65
3.2. Verwendete Methoden 66
3.2.1. Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) 66
3.2.2. Gelpermeationschromatographie (GPC) 66
3.2.3. Matrix-unterstützte Laser-Desorption/Ionisation-Massenspektrometrie mit
Flugzeitanalysator (MALDI-ToF-MS) 67
3.2.4. Dynamische Lichtstreuung 67
3.3. Synthese niedermolekularer Verbindungen 68
3.3.1. Synthese des Me
6
Tren-Liganden für die ATRP 68
Inhaltsverzeichnis
7
3.3.2. Synthese des Solketalacrylat (SKA)-Monomers 69
3.3.3. Synthese des geschützten trans-4-Methacryloyloxy-
L
-prolin-Monomers 72
3.4. Synthese hochmolekularer Verbindungen 77
3.4.1. Endgruppenmodifizierung von PEG-5000-Monomethylether mit
2-Brompropionylbromid 77
3.4.2. ATRP von Solketalacrylat (SKA) 78
3.4.3. ATRP von N-Isopropylacrylamid (NIPAAm) 81
3.4.4. ATRP von N,N-Dimethylacrylamid (DMAAm) 83
3.4.5. Synthese von PEG-b-PNIPAAm 84
3.4.6. Synthese von PSKA-b-PNIPAAm 86
3.4.7. Hydrolyse von PSKA-b-PNIPAAm zu PDHPA-b-PNIPAAm 88
3.4.8. Synthese von PNIPAAm-b-PDMAAm 90
3.4.9. Copolymerisation von N-Isopropylacrylamid mit dem geschützten trans-4-
Methacryloyloxy-
L
-prolin 93
3.4.10. Synthese von PEG-b-P(NIPAAm-co-MAOLP(Boc,tBu)) 95
3.4.11. Synthese von P(NIPAAm-co-MAOLP(Boc,tBu))-b-PDMAAm 97
3.4.12. Polymeranaloges Entschützen der Amino- und der Carboxylgruppe 99
3.5. Temperaturinduzierte Aggregation 101
3.6. Asymmetrische Organokatalyse 101
4. Auswertung und Diskussion 103
4.1. Synthese der niedermolekularen Verbindungen 103
4.2. Synthese der hochmolekularen Verbindungen 106
4.2.1. ATRP von N-Isopropropylacrylamid 106
4.2.2. ATRP von N,N-Dimethylacrylamid 117
4.2.3. ATRP von Solketalacrylat 119
4.2.4. Endgruppenmodifizierung des PEG-5000-Monomethylethers 122
4.2.5. Synthese von PEG-b-PNIPAAm 124
4.2.6. Synthese von PSKA-b-PNIPAAm 127
4.2.7. Hydrolyse von PSKA-b-PNIPAAm zu PDHPA-b-PNIPAAm 129
4.2.8. Synthese von PNIPAAm-b-PDMAAm 133
4.2.9. Copolymerisation von NIPAAm mit MAOLP(Boc,tBu) 139
4.2.10. Synthese von PEG-b-P(NIPAAm-co-MAOLP(Boc,tBu)) 141
4.2.11. Synthese von P(NIPAAm-co-MAOLP(Boc,tBu))-b-PDMAAm 143
4.2.12. Entschützen des
L
-Prolin-Katalysators 146
4.3. Temperaturinduzierte Aggregation der Blockcopolymere in Wasser 151
Inhaltsverzeichnis
8
4.4. Asymmetrische Organokatalyse 158
5. Zusammenfassung 164
6. Ausblick 168
7. Abkürzungsverzeichnis 170
8. Literaturverzeichnis 172
Einleitung 9
1. E
INLEITUNG
1.1. Problemstellung
Um eine Synthese zu verbessern, benötigt man in der Regel neue Katalysatoren,
neue Reagenzien oder ein vertiefendes Verständnis der Reaktionsmechanismen,
sodass die Reaktionsbedingungen hinsichtlich Ausbeute und Produktreinheit
optimiert werden können. Weitere wichtige Aspekte, vor allem für Synthesen in
größerem Maßstab, sind eine einfache Handhabung des chemischen Prozesses
sowie wirtschaftliche Effizienz. In den letzten Jahren zielten zahlreiche wissenschaft-
liche und verfahrenstechnische Entwicklungen darauf ab, chemische Synthesen in
Bezug auf ihre Anwendbarkeit zu verbessern (Facilitated Synthesis).
1
Sei es die
Erschließung neuer Lösungsmittel (z. B. ionische Flüssigkeiten
2,3
), die Entwicklung
wiederverwertbarer Katalysatoren
4
oder die Anwendung neuer Trennverfahren zur
Produktabtrennung – alle diese Entwicklungen bergen das Potenzial die Durch-
führung von chemischen Synthesen zu revolutionieren. Eines der herausragenden
Beispiele ist der Einsatz von Styrolharzen bei der Herstellung von Peptiden durch
Merrifield - ein Grundstein für die heutige Festphasenpeptidsynthese.
5
Aktuelle
Konzepte und Strategien zur Verbesserung von chemischen Prozessen basieren auf
einem gestiegenen Umweltbewusstsein und stehen im Einklang mit den Prinzipien
einer nachhaltigen „Grünen Chemie“ (Green Chemistry).
6
Aufgrund ihrer enormen Variabilität hinsichtlich Dimension, Molekulargewicht,
Funktionalität sowie molekularer und übermolekularer Struktur spielen Polymere
bereits seit mehreren Jahrzehnten eine sehr wichtige Rolle in verschiedensten
chemischen Prozessen.
7
Neben der klassischen Rolle als Stabilisatoren bei Reak-
tionen in Heterophasen dienen Polymere vor allem als Träger für Reaktanten oder
Katalysatoren. Unlösliche Polymerharze wurden traditionell als Trägersubstanzen in
zahlreichen Reaktionen eingesetzt.
8,9
Der Vorteil dieser unlöslichen polymeren
Träger besteht darin, dass sie nach der Reaktion relativ einfach durch Filtration oder
Zentrifugation aus dem Reaktionsgemisch entfernt werden können. Voraussetzung
für den Einsatz dieser Polymerharze als Trägersubstanzen ist jedoch die Tatsache,
dass die gelösten Komponenten des Reaktionsgemisches die polymergebundenen
Reaktanten oder Katalysatoren erreichen müssen, damit eine Umsetzung stattfinden
kann. Um dies zu gewährleisten, muss das Polymerharz zumindest teilweise in dem
Einleitung 10
verwendeten Lösungsmittel löslich sein. Diesbezüglich ergeben sich einige Nachteile
dieser heterogenen Trägersubstanzen. So beobachtet man beispielsweise oftmals
eine nichtlineare Reaktionskinetik aufgrund von Phasenübergängen und Diffusions-
kontrolle der Reaktionsgeschwindigkeit. Für den Fall von polymergebundenen,
immobilisierten Substraten ist es ebenfalls schwer, den Reaktionsverlauf und die
Produktreinheit zu untersuchen. Diese Einschränkungen bewirkten, dass zunehmend
lösliche polymere Trägermaterialien in den Fokus der Wissenschaft rückten.
10-13
Aufgrund der signifikanten Unterschiede in der Molekülgröße zwischen den
niedermolekularen Reaktanten und den polymergebundenen Substraten oder Kataly-
satoren ist eine Abtrennung der polymeren Träger durch Dialyse oder Extraktion mit
einem selektiven Lösungsmittel relativ problemlos möglich. Die Abtrennung eines
polymergebundenen Katalysators ermöglicht beispielsweise dessen Reaktivierung
und Wiederverwertung für nachfolgende Synthesen. Zudem beobachtet man auch,
dass die Stabilität eines Katalysators durch Anbindung an einen Polymerträger
ebenfalls erhöht wird. Dies führt dazu, dass sowohl in homogenen als auch in
heterogenen Katalysen polymere Materialien zur Immobilisierung von Katalysatoren
verwendet werden. Die Immobilisierung umfasst nicht nur organische (metallfreie)
Katalysatoren
14,15
sondern auch katalytisch aktive Übergangsmetalle
16,17
.
Sowohl bei Homophasen-Reaktionen (bzw. homogener Katalyse) als auch bei
Heterophasen-Reaktionen (bzw. heterogener Katalyse) ist die räumliche Konzentra-
tion an Reaktanten und ggf. einem Katalysator in der Regel gering. Demzufolge
muss man Energie aufwenden, um die Entfernung zwischen den Reaktanten und
ggf. dem Katalysator zu überwinden. Zudem beschränkt sich die Löslichkeit der
meisten organischen Verbindungen auf klassische organische Lösungsmittel. Die
Prinzipien der „Grünen Chemie“ fordern jedoch unter anderem die Verwendung von
nicht toxischen und möglichst umweltfreundlichen Substanzen (und Lösungsmitteln)
sowie die Optimierung der Energieeffizienz.
6
Beides kann erreicht werden, indem
man Synthesen in mizellaren Systemen durchführt.
18,19
Amphiphile (grenzflächenaktive) Moleküle neigen dazu, in selektiven Lösungsmitteln
(Löslichkeit für nur einen bestimmten Teil des Moleküls) zu aggregieren. Die
resultierenden Aggregate können dabei unterschiedliche Morphologien aufweisen.
Die Aggregation kann dabei als Phasentrennung interpretiert werden, da sich der
chemische Charakter innerhalb der Aggregate deutlich von den Eigenschaften des
Einleitung 11
selektiven Lösungsmittels unterscheidet. Da die Dimension der Aggregate vom
Nanometer- bis in den Mikrometerbereich reicht, spricht man in diesem Fall von einer
Mikrophasenseparation bzw. Mikroheterogenität. Der unterschiedliche Charakter
beider Phasen bietet beispielsweise die Möglichkeit hydrophobe Reaktanten in den
Aggregaten einzuschließen (zu solubiliseren) und damit in Gegenwart von Wasser
als selektivem Lösungsmittel zu lösen. In den Aggregaten herrscht eine hohe
räumliche Konzentration der Reaktanten, sodass es ohne großen Energieaufwand zu
einer Reaktion kommen kann. Ist in den Aggregaten auch noch eine katalytisch
aktive Substanz enthalten spricht man auch von mizellarer Katalyse. Als amphiphile
Moleküle können dabei sowohl niedermolekulare Tenside als auch Polymere mit
chemisch heterogener, blockartiger Struktur zum Einsatz kommen. Polymere
Amphiphile haben in diesem Fall den Vorteil, dass die Morphologie der entstehenden
Aggregate durch Veränderung ber Blocklängen gesteuert werden kann. Dabei kann
die Funktionalität der Blöcke derart gewählt werden, dass zum Beispiel der
Katalysator direkt an das Polymer gebunden werden kann. Ein weiterer Vorteil bleibt
natürlich die bereits angeführte bessere Abtrennbarkeit der polymeren Amphiphile
nach der Reaktion.
Smarte Polymere bieten die Möglichkeit, durch geringe Variation der Umgebungs-
parameter signifikante Änderungen der Polymereigenschaften hervorzurufen. So
kann beispielsweise die Löslichkeit eines smarten Polymers durch Änderung der
Lösungstemperatur beeinflusst werden. Damit ergibt sich die Gelegenheit, das
Phasenverhalten von smarten Polymeren durch äußere Reize zu kontrollieren.
Verwendet man smarte Polymere als Trägermoleküle für Reaktanten oder Katalysa-
toren, dann hängt die Verfügbarkeit der Reaktanten oder die Aktivität des
Katalysators vom Phasenverhalten ab und kann somit durch äußere Parameter
gesteuert werden. Damit kann man nicht nur die bereits diskutierte Abtrennung der
polymergebundenen Komponenten erreichen sondern direkten Einfluss auf den
Reaktionsverlauf nehmen. Smarte Polymere wurden bereits vielfältig in Katalyse-
systemen eingesetzt.
20,21
Der Einsatz von kleinen organischen Molekülen ohne ein Metallzentrum für die
Katalyse von organischen Reaktionen ist bereits seit über einem Jahrhundert
bekannt. Trotz vereinzelter Publikationen dauerte es bis zum Ende des 20.
Jahrhunderts bevor das enorme Potenzial von organischen Katalysatoren bzw.
Einleitung 12
Organokatalysatoren erkannt wurde. Mit dem Einsatz von chiralen organischen
Molekülen als Katalysatoren begann eine Welle von Untersuchungen.
22-25
Mit Hilfe
der asymmetrischen Organokatalyse konnte die Lücke zwischen der Metall- und der
Enzymkatalyse geschlossen werden. Auch wenn der Begriff Organokatalysator
prinzipiell alle metallfreien niedermolekularen organischen Moleküle einschließt, so
stellen sekundäre Amine und Brønsted-Säuren die wohl wichtigsten Gruppen der
Organokatalysatoren dar. Ihre Anwendung findet die Organokatalyse heutzutage
sowohl in der Forschung bei der Synthese von komplexen molekularen Systemen als
auch bei industriellen Syntheseprozessen.
1.2. Zielstellung
Das Ziel der Arbeit ist die Implementierung von smarten Polymeren als Träger für
Organokatalysatoren bei einer mizellaren Katalyse. Auf diese Weise sollen die
chemische Effizienz der Organokatalyse und die Energieeffizienz der mizellaren
Katalyse mit den Vorteilen einer Reaktionskontrolle und einer effizienten Katalysator-
abtrennung durch Verwendung smarter polymerer Trägermaterialien kombiniert
werden. Damit soll ein System zur Katalyse von organischen Reaktionen entstehen,
das nicht nur den Anforderungen der „Grünen Chemie“ entspricht, sondern auch als
Analogon zu biologischen Katalysatoren (Enzymen) angesehen werden kann.
1.3. Aufgabenstellung
Es sollen zunächst smarte Blockcopolymere synthetisiert werden, die infolge eines
äußeren Stimulus Aggregate (im Idealfall Mizellen) bilden können. Diese Block-
copolymere werden mit Hilfe der Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP), einer
Methode der kontrolliert radikalischen Polymerisation, hergestellt. Der sensitive
Block soll aus N-Isopropylacrylamid (NIPAAm), einem Baustein für temperatur-
sensitive Polymere, aufgebaut werden. Als hydrophiler Block sollen
Poly(ethylenglycol) (PEG), Poly(N,N-dimethylacrylamid) oder Poly(2,3-
dihydroxypropylacrylat) verwendet werden.
Im nächsten Schritt soll ein Organokatalysator basierend auf
L
-Prolin so modifiziert
werden, dass er durch Copolymerisation in den temperatursensitiven Poly(N-
Einleitung 13
isopropylacrylamid) (PNIPAAm)-Block eingebaut werden kann. Als Zielpolymer soll
schließlich ein smartes Blockcopolymer mit Hilfe der ATRP synthetisiert werden,
welches in seinem temperatursensitiven Block den immobilisierten
L
-Prolin-Katalysa-
tor trägt.
Alle synthetisierten Copolymere sollen hinsichtlich ihrer Zusammensetzung und ihrer
Molekulargewichtsverteilung charakterisiert werden. Das temperaturabhängige
Aggregationsverhalten soll vor allem mittels Dynamischer Lichtstreuung untersucht
werden.
Die katalytische Wirksamkeit des
L
-Prolin-Katalysators, der an die smarten Blockco-
polymere gebunden ist, soll am Beispiel einer Aldolreaktion überprüft werden.
Theoretische Grundlagen 14
2. T
HEORETISCHE
G
RUNDLAGEN
2.1. Sensitive Polymere
Sensitive Polymere sind in der Lage bei kleinen Variationen der Umgebungspara-
meter (Reiz, Stimulus) ihre Eigenschaften signifikant zu ändern. Aufgrund ihrer
Fähigkeit auf Umgebungseinflüsse zu reagieren werden diese Polymere auch als
„stimuli-sensitive“, „smarte“, „intelligente“ oder „umweltsensitive“ Polymere bezeich-
net. Die Natur des äußeren Einflusses kann dabei in drei Kategorien unterteilt
werden: physikalische, chemische und biochemische Reize. Tabelle 2.1-1 stellt
einige Beispiele für jede Kategorie zusammen.
Tabelle 2.1-1: Übersicht über verschiedene Stimuli zur Adressierung sensitiver Polymere
26
Physikalische Stimuli Chemische Stimuli Biochemische Stimuli
Temperatur pH-Wert der Lösung Enzymsubstrate
Ionenstärke spezifische Ionen Affinität zu Liganden
Art des Lösungsmittels chemische Agenzien andere biochem. Stoffe
Licht (UV/VIS)
elektrisches Feld
magnetisches Feld
mechanischer Stress
Ultraschall
Chemische und biochemische Reize haben einen direkten Einfluss auf die
Wechselwirkungen zwischen den Polymerketten selbst oder zwischen den
Polymerketten und den umgebenden Lösungsmittelmolekülen. Ab einem bestimmten
Grenzwert beeinflussen auch physikalische Stimuli die molekularen Wechsel-
wirkungen und führen zu Phasenübergängen. Diese Änderungen auf molekularer
Ebene können sich makroskopisch auf verschiedene Art und Weise zeigen: eine
Änderung der Form oder Dimension des polymeren Materials, eine Änderung seiner
mechanischen, optischen oder elektrischen Eigenschaften sowie Änderungen der
Permeabilität. Sensitive Polymere in Lösung können auch eine makroskopische
Phasenseparation als Antwort auf einen Stimulus zeigen.
27
Theoretische Grundlagen 15
Die Architektur sensitiver Polymere beinhaltet nicht nur verschiedene Polymergeo-
metrien sondern überspannt auch mehrere Größenordnungen der Dimension
(Abbildung 2.1-1): ausgehend von einem einzelnen Molekül in Lösung, über
selbstorganisierte Polymersysteme (Mizellen, Vesikel), bis hin zu vernetzten
Systemen einschließlich Kapseln und Polymergele.
Abbildung 2.1-1: Architekturen verschiedener sensitiver
Polymersysteme (Reprinted by permission from
Macmillan Publishers Ltd: NATURE MATERIALS
28
,
copyright 2010)
Sowohl ihre Fähigkeit auf bestimmte Reize zu reagieren als auch die vielfältigen
realisierbaren Polymerarchitekturen führen dazu, dass sensitive Polymere eine ideale
Basis für maßgeschneiderte Polymersysteme bilden, die ihre Anwendung in
verschiedenen Gebieten des Wirkstofftransports (drug-delivery)
29,30
, der Diagnostik
31
,
der Biotechnologie
28,32
, der Sensorik
33,34
sowie auch in mikromechanischen und
optischen Systemen
35
oder in Beschichtungen und Textilien
36,37
finden.
Theoretische Grundlagen 16
Das Verhalten sensitiver Polymere wird oftmals in Substanz (z. B. Polymerfilme) oder
in Lösung untersucht. Im Hinblick auf mögliche Anwendungen in der Biomedizin oder
Biotechnologie richtet sich der Blickpunkt besonders auf sensitive Polymere in
wässrigen Systemen. In den nachfolgenden Abschnitten werden die Grundlagen der
Temperatur- und pH-Sensitivität diskutiert. Abschließend werden einige Polymer-
systeme beschrieben, die auf andere Stimuli reagieren. An dieser Stelle sei jedoch
explizit darauf hingewiesen, dass es ebenfalls sensitive Polymere gibt, die auf
mehrere unterschiedliche Reize reagieren können, manchmal sogar simultan.
38
2.1.1. Temperatursensitive Polymere
Änderungen der Temperatur sind einerseits gut und genau zu kontrollieren und
andererseits einfach zu realisieren, sowohl in vitro als auch in vivo. Deshalb ist die
Temperatur einer der am häufigsten verwendeten Stimuli, um sensitive Polymere zu
adressieren. Sensitive Polymere, die infolge von Temperaturänderungen eine
sprunghafte Änderung ihrer Eigenschaften zeigen, werden als temperatursensitive
Polymere bezeichnet. Die Temperatur, bei der die Eigenschaftsänderung auftritt, wird
als kritische Temperatur (T
cr
) oder Phasenübergangstemperatur (T
VPT
) bezeichnet.
Für ein temperatursensitives Polymer in Lösung oder eine gequollenes sensitives
Polymergel tritt bei Erreichen der kritischen Temperatur eine Phasenänderung auf.
Es wird die Bildung einer mit Polymer angereicherten Phase und einer Phase
bestehend aus dem Lösungsmittel beobachtet. Wenn diese Phasenseparation
oberhalb der kritischen Temperatur auftritt, spricht man von einem Lower Critical
Solution Temperatur (LCST)-Verhalten. Andernfalls, wenn die Trennung der Phasen
unterhalb der kritischen Temperatur beobachtet wird, liegt eine Upper Critical
Solution Temperatur (UCST) vor. Mit dem Begriff LCST bzw. UCST ist die minimale
bzw. maximale Temperatur im Phasendiagramm definiert, bei der eine Phasen-
separation auftritt. Die übrigen Punkte der Phasengrenzlinie beschreiben kritische
Temperaturen (T
Cr
), bei denen eine Phasentrennung stattfindet. Diese begriffliche
Unterscheidung wird in der Fachliteratur jedoch nicht konsequent umgesetzt. Um
Irritationen zu vermeiden, wird im Folgenden bei Bezug auf Literatur der Begriff LCST
gebraucht, obwohl die Verwendung von T
Cr
korrekter wäre. Tatsächlich konzentrieren
sich die meisten Forschungsaktivitäten auf temperatursensitive Polymere mit LCST-
Verhalten. Eine umfangreiche Zusammenstellung nichtionischer wässriger Polymer-
Theoretische Grundlagen 17
systeme mit Temperatursensitivität einschließlich einer gründlichen Diskussion der
Einflüsse von Struktur und Architektur des Polymers auf die LCST wurde kürzlich von
Aseyev et al. veröffentlicht.
39
Tabelle 2.1-2 zeigt einige ausgewählte (Meth)acryl-
amide und Methacrylate mit einem LCST-Verhalten. Die dargestellten Polymere
weisen kritische Temperaturen im Bereich zwischen 30 °C und 60 °C auf. Prinzipiell
können die kritischen Temperaturen jedoch im gesamten Temperaturbereich liegen,
in dem das Wasser als Lösungsmittel flüssig ist.
Tabelle 2.1-2: Übersicht über einige Polymere mit LCST-Verhalten in wässrigen Systemen
Polymer Struktur LCST
Poly(N-isopropylacrylamid)
40,41,42
PNIPAAm
NHO
n
32-34 °C
Poly(N-isopropylmethacrylamid)
43
NHO
n
38-42 °C
Poly(N-ethyl-N-methyl-
acrylamid)
44
NO
n
56 °C
Poly(N,N-diethylacrylamid)
45
PDEAAm
NO
n
32 °C
Poly(N,N-dimethylaminoethyl-
methacrylat)
46
OO
n
N
50 °C
Theoretische Grundlagen 18
Das sensitive Verhalten von Polymeren kann besonders gut in Lösung studiert
werden, da aufgrund der hohen Beweglichkeit kleine Lösungsmittelmoleküle einfach
durch Kettensegmente des Polymers verdrängt werden können. In Abbildung 2.1-2
werden einige allgemeine energetische Aspekte der Stimuli-Sensitivität dargestellt.
Diese sollen am Beispiel eines temperatursensitiven Polymers diskutiert werden. Die
zwei dargestellten Minima der Gleichgewichtsenergie repräsentieren zwei bevorzugte
Zustände A und B des Polymers. Der Übergang zwischen diesen Zuständen benötigt
eine bestimmte Energie (∆E
SR(solution)
). Die Größenordnung dieser Energie hängt
dabei von der Beweglichkeit der Polymerketten ab. Für Makromoleküle mit
eingeschränkter konformativer Freiheit (z. B. an Grenz- und Oberflächen) oder sogar
in festen Polymermaterialien ist diese Energiebarriere deutlich höher als für Polymere
in Lösung.
47
Am Beispiel eines Polymers mit LCST-Verhalten wird der Übergang vom
Zustand A nach B durch einen Temperaturänderung von A‘ nach B‘ induziert. Als
Folge beobachtet man einen Wechsel vom physikalischen Zustand A‘‘ nach B‘‘, der
sich durch eine Änderung in der Kettenkonformation des Makromoleküls ausdrückt.
Abbildung 2.1-2: Beziehung zwischen Gleichgewichtsenergie,
Energieeintrag (Stimulus) und der Reaktion eines
sensitiven Polymers in Lösung (Reprinted from
47
,
Copyright 2010, with permission from Elsevier)
Aus thermodynamischem Blickwinkel betrachtet ist eine Änderung der freien
Enthalpy (∆G) des Systems die Triebkraft für die Phasenseparation. Unterhalb der
LCST liegt eine homogene Mischung aus Makromolekülen und Lösungsmittelmole-
külen mit einer günstigen freien Enthalpie (∆G < 0) vor. Vor allem Wasserstoff-
brückenbindungen zwischen Polymer und Lösungsmittel tragen zu dieser günstigen
Theoretische Grundlagen 19
freien Enthalpie bei. Eine Erhöhung der Temperatur über den LCST-Wert führt zu
einer Phasenseparation, da die enthalpischen Beiträge (durch Wegfall der
Wasserstoffbrückenbindungen) die entropischen Beiträge (Umordnung der Wasser-
moleküle) übertreffen. Als Resultat wird die freie Enthalpie der Mischung ungünstig
(∆G > 0) und das System muss sich durch Trennung der Phasen stabilisieren.
47
N-substituierte Poly(acrylamide) stellen eine sehr wichtige Gruppe von Polymeren mit
LCST-Verhalten dar. Poly(N-isopropylacrylamid) (PNIPAAm) zählt zu den am besten
untersuchten temperatursensitiven Polymeren. Der Grund dafür liegt in der LCST von
32 °C in Wasser, die eine Anwendung in biologischen Systemen ermöglicht. Der
Grund für den scharfen Phasenübergang von PNIPAAm in Wasser liegt in einer
guten Balance zwischen hydrophilen und hydrophoben Bereichen im Polymer.
40
Eine
Erhöhung der Temperatur einer wässrigen Lösung von PNIPAAm über die kritische
Temperatur T
cr
führt dazu, dass das aufgeweitete Polymerknäuel zunehmend
kontrahiert, da die Polymer-Polymer-Wechselwirkungen gegenüber den Polymer-
Lösungsmittel-Wechselwirkungen bevorzugt werden. Die Aggregation der
kontrahierten PNIPAAm-Moleküle führt zu einer makroskopischen Phasenseparation.
Dieser Phasenübergang wird begleitet durch die Freisetzung von Wassermolekülen
als ein endothermer Prozess. In vernetzten PNIPAAm-Polymeren kann keine
makroskopische Phasentrennung erfolgen, da vernetzte Polymere prinizipiell
unlöslich sind. Dennoch findet eine mikroskopische Phasentrennung in einer
polymerreiche und eine polymerarme Phase statt. Dieser Phasenübergang geht mit
einer Volumenänderung einher. Wasser wird aus dem Polymernetzwerk verdrängt,
sodass das vernetzte Polymer in seiner Dimension schrumpft. Die Kinetik des Quell-
und Entquellprozesses ist dabei wesentlich von der Dimension des Netwerks
abhängig.
Um maßgeschneiderte Polymersysteme für verschiedene Anwendungen zu bekom-
men, ist eine Einstellung der LCST unerlässlich. Im Allgemeinen wird die Lage der
LCST durch die Balance zwischen hydrophilen und hydrophoben Bereichen im
Makromolekül bestimmt. Eine Erhöhung der Hydrophilie resultiert in einer erhöhten
LCST, wohingegen mehr hydrophobe Domänen zu einer verringerten LCST führen.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten das Verhältnis zwischen Hydrophilie und
Hydrophobie im Polymer zu verschieben. Der Ausgangspunkt liegt im molekularen
Design der Monomere für ein temperatursensitives Polymer. N-substituierte
Theoretische Grundlagen 20
Poly(acrylamide) werden bevorzugt verwendet, weil dort das Verhältnis der
hydrophoben und hydrophilen Bereiche maßgeblich durch die Substituenten am
Stickstoffatom bestimmt wird. So enthält das PNIPAAm beispielsweise eine sperrige
hydrophobe Isopropylgruppe und als Gegenstück eine hydrophile Acrylamid-Gruppe.
Ersetzt man die sperrige Isopropylgruppe durch eine lineare Alkylgruppe, dann
beobachtet man eine Erhöhung der LCST von 32 °C auf 56 °C (siehe Tabelle 2.1-2).
Ein anderes Beispiel für molekulares Design der Monomere ist die Verwendung von
Oligo(ethylenglycol)methacrylat-Monomeren (Abbildung 2.1-3). Diese Monomere
besitzen eine Methacrylat-Gruppe, die nach der Polymerisation das hydrophobe
Polymerrückgrat bildet. Die hydrophilen Domänen bestehen aus den
Oligo(ethylenglycol)-Einheiten unterschiedlicher Kettenlängen. Es konnte dabei
gezeigt werden, dass die LCST der resultierenden Polymere hauptsächlich von der
Kettenlänge der Oligo(ethylenglycol)-Ketten abhängt.
48
Mit wachsender Kettenlänge
verschiebt sich die LCST von 26 °C bis hin zu 90 °C .
Polymer Eigenschaften in
wässriger Lösung
PMEMA leicht
hygroskopisch
PMEO
2
MA LCST ~ 26 °C
PMEO
3
MA LCST ~ 52 °C
POEGMA
300
LCST ~ 64 °C
POEGMA
475
LCST ~ 90 °C
Abbildung
2.1
-
3
:
Molekulare Struktur verschiedener Oligo(ethylenglycol)methacrylate (links);
Eigenschaften verschiedener Poly(oligo(ethylenglycol)methacrylate) in
wässriger Lösung (rechts). (reprinted from
48
, with permission from John
Wiley and Sons)
Copolymerisation ist die gängigste Methode zur Einstellung der LCST. Ein
statistischer Einbau von hydrophilen Einheiten in das temperatursensitive Polymer
führt zu einem Anstieg der LCST. Im Gegensatz dazu bewirkt die Copolymerisation
mit hydrophoben Monomeren, dass das resultierende Polymer eine geringere LCST
aufweist. Hoffman et al. untersuchten das Phasenübergangsverhalten von
statistischen Copolymeren aus N-Isopropylacrylamid (NIPAAm) mit unterschiedlichen
Mengen an Acrylamid (hydrophiler) oder N-tert-Butylacrylamid (hydrophober).
26
Theoretische Grundlagen 21
Abbildung 2.1-4 zeigt die kritischen Temperaturen der resultierenden Copolymere in
Abhängigkeit vom Comonomer-Gehalt. Weniger als 20 Prozent an Acrylamid im
Copolymer bewirken einen Anstieg von T
cr
auf über 50 °C. Copolymere mit hohem
Anteil an N-tert-Butylacrylamid zeigen eine T
cr
von teilweise unter 10 °C. Eine
Copolymerisation von NIPAAm mit einem Monomer, das eine Carboxylgruppe trägt,
bietet die Möglichkeit, die Hydrophilie des Copolymers und damit die LCST durch
Variation des pH-Werts zu verändern. Dies ist auch ein anschauliches Beispiel für ein
Polymersystem, das auf mehrere Stimuli reagieren kann, da die Eigenschaften des
Copolymers sowohl durch die Temperatur als auch durch den pH-Wert der Lösung
beeinflusst werden können.
Eine weitere Möglichkeit zur Beeinflussung der Balance zwischen Hydrophilie und
Hydrophobie bietet die polymeranaloge Modifizierung. Hydroxyethylmethacrylat
(HEMA) ist als ein hydrophiles Monomer bekannt. Die Veresterung der freien
Hydroxygruppe mit entsprechenden Säuren kann den Charakter des Monomers
jedoch umkehren. Die Copolymerisation von NIPAAm mit Milchsäure-modifiziertem
HEMA führt zu Copoymeren mit verringerter LCST.
49
Eine polymeranaloge
Abspaltung der Milchsäure führt zu Freisetzung der hydrophilen HEMA-Einheit im
Copolymer und damit zu einer höheren LCST.
Abbildung 2.1-4: Auswirkung der Copolymerisation von NIPAAm mit
Acrylamid oder N-tert-Butylacrylamid auf die LCST der
resultierenden Copolymere (reprinted from
26
, with
permission from John Wiley and Sons)
Theoretische Grundlagen 22
2.1.2. pH-sensitive Polymere
Eine Änderung der Struktur oder des Löslichkeitsverhaltens als Antwort auf Variation
des pH-Werts ist eines der grundlegenden Merkmale von Biopolymeren. So hängt
zum Beispiel die Konformation von Peptiden hauptsächlich von intra- und
intermolekularen Wechselwirkungen (Wasserstoffbrückenbindungen, Ladungsan-
ziehung) ab. Protonierung und Deprotonierung führt dabei zu Änderungen der
Konformation und damit auch der Reaktivität von Peptiden. Synthetische pH-
sensitive Polymere tragen ebenfalls ionisierbare funktionelle Gruppen, die in der
Lage sind, je nach pH-Wert Protonen aus der Lösung aufzunehmen und wieder
abzugeben. Besonders schwache Brønsted-Säuren und –Basen werden als
entsprechende funktionelle Gruppen verwendet, da die Protonierung und
Deprotonierung in einem pH-Bereich von 4 bis 8 stattfindet. Die logarithmierte
Konstante des Gleichgewichts zwischen Protonierung und Deprotonierung wird als
pK
a
-Wert bezeichnet. Wenn sich der pH-Wert der Lösung dem pK
a
-Wert der
funktionellen Gruppe annähert, ändert sich der Ionisierungsgrad dramatisch.
Geladene Polymere in wässriger Lösung werden gemeinhin als Polyelektrolyte
bezeichnet.
50,51,52
Polymere mit schwach dissoziierenden Gruppen in der
Polymerkette werden als schwache Polyelektrolyte bezeichnet. Aufgrund der in die
Polymerkette eingebrachten Ladungen beobachtet man Änderungen in der Ketten-
konformation. Im ungeladenen Zustand liegt das Makromolekül in einer kollabierten
Konformation vor, da die hydrophoben Wechselwirkungen zwischen dem
Polymerrückgrat oder den hydrophoben Domänen im Polymer überwiegen. Im
geladenen Zustand hingegen zeigt die Polymerkette eine zunehmend gestreckte
Konformation infolge der Coulomb-Abstoßung und Hydratation der Ladungen. Das
verbesserte Quellverhalten von Polymernetzwerken mit geladenen funktionellen
Gruppen kann auch durch den osmotischen Druck der mobilen Gegenionen
innerhalb des Netzwerks erklärt werden.
53
Auch bei pH-sensitiven Polymeren werden
sowohl die Konformation als auch das Phasenübergangsverhalten durch die Balance
zwischen hydrophilen und hydrophoben Bereichen im Makromolekül bestimmt.
54
pH-
sensitive Polymere mit ausgeprägten hydrophoben Domänen zeigen im ungeladenen
Zustand eine kompaktere Konformation infolge der stärkeren hydrophoben
Wechselwirkungen. Diese dichte Kettenkonformation wird auch als Hyperknäuel
(hypercoil) bezeichnet.
55
Des Weiteren führen hydrophobe Gruppen zu einem
abrupteren Phasenübergang.
Theoretische Grundlagen 23
OHO
n
OHO
n
OHO
n
OHO
n
NHO
n
SOHN
N OO
Poly(acrylsäure)
PAAc Poly(methacrylsäure)
PMAAc
Poly(2-ethylacrylsäure)
PEAAc Poly(2-propylacrylsäure)
PPAAc Sulfonamid-haltiges
Polymer
Abbildung 2.1-5: pH-sensitive Polysäuren
54
Polymere, die Carboxylgruppen tragen, sind die am häufigsten verwendeten pH-
sensitiven Polysäuren (Abbildung 2.1-5). Die pK
a
-Werte der Carboxylgruppen liegen
gewöhnlich im Bereich zwischen 5 und 6. Bei höheren pH-Werten werden die
polymergebundenen Carboxylgruppen deprotoniert und es bilden sich Polyelektro-
lyte. Bei niedrigen pH-Werten nehmen die Carboxylgruppen Protonen auf, sodass ein
ungeladenes, hydrophobes Makromolekül entsteht.
Poly(acrylsäure) (PAAc) und Poly(methacrylsäure) (PMAAc) sind die am häufigsten
untersuchten pH-sensitiven Polysäuren.
56,57
Wegen der zusätzlichen Methylgruppe
zeigt PMAAc eine kompaktere Konformation im ungeladenen Zustand sowie einen
schärferen Phasenübergang im Vergleich zu PAAc. Mit den immer hydrophober
werdenden Poly(2-ethylacrylsäure) (PEAAc) und Poly(2-propylacrylsäure) (PPAAc)
setzt sich dieser Trend fort.
Abbildung 2.1-6 zeigt einiger Vertreter für schwache Polybasen. Sowohl tertiäre
Amine als auch Pyridin- und Imidazolderivate sind dargestellt. Die Aminogruppe
nimmt Protonen bei niedrigem pH-Wert auf, sodass Polyelektrolyte entstehen.
Deprotonierung findet bei höheren pH-Werten statt und resultiert in einem
ungeladenen Makromolekül. Poly(
N
,
N
-diethylaminoethylmethacrylat) (PDEAEMA)
hat längere hydrophobe Alkylketten im Vergleich zu Poly(
N
,
N
-
dimethylaminoethylmethacrylat) (PDMAEMA). Deshalb zeigt PDEAEMA im
ungeladenen Zustand bei höheren pH-Werten eine kompaktere Kettenkonformation
Theoretische Grundlagen 24
(hypercoil). PDEAEMA fällt aufgrund der Deprotonierung bei pH-Werten von über 7,5
in Wasser aus.
58
PDMAEMA zeigt nicht nur eine pH-Sensitivität sondern auch eine
Temperatursensitivität ähnlich der des PNIPAAm.
59
Die pH-sensitiven aromatischen
Polybasen Poly(2- oder 4-vinylpyridin) (P2VP, P4VP) besitzen einen kritischen pH-
Wert von 5, bei dem infolge von Deprotonierung und Protonierung ein
Phasenübergang zu beobachten ist.
60
OO
N
n
OO
N
n
n
N
n
N
N
n
N
Poly(N,N-dimethyl-
aminoethylmethacrylat)
PDMAEMA
Poly(4-vinylpyridin)
P4VP
Poly(N,N-diethyl-
aminoethylmethacrylat)
PDEAEMA
Poly(2-vinylpyridin)
P2VP
Poly(vinylimidazol)
Abbildung 2.1-6: pH-sensitive Polybasen
54
Für maßgeschneiderte pH-sensitive Polymere ist eine Einstellung des kritischen pH-
Werts, bei dem Konformationsänderungen auftreten und ein Phasenübergang zu
beobachten ist, unerlässlich. Als erstes sollte eine ionisierbare funktionelle Gruppe
gewählt werden, deren pK
a
-Wert im richtigen Bereich liegt. Der pK
a
-Wert
charakterisiert den pH-Wert, bei dem die Hälfte der funktionellen Gruppen ionisiert
vorliegt. Der kritische pH-Wert ist mit dem pK
a
-Wert verbunden, aber dennoch sind
beide nicht gleich, da eine Änderung der Kettenkonformation und ein Phasen-
übergang nur dann auftreten, wenn die elektrostatischen Wechselwirkungen und
Hydratationseffekte die hydrophoben Wechselwirkungen kompensieren. In einigen
Fällen kann der pK
a
-Wert einer ionisierbaren funktionellen Gruppe durch molekulares
Design variiert werden. Polymere mit Sulfonamid-Gruppen (Abbildung 2.1-5) sind ein
anschauliches Beispiel für die Einstellung des pK
a
-Werts durch geringe strukturelle
Veränderungen. Aufgrund des elektronenziehenden Charakters der SO
2
-Gruppe ist
das Proton am Amid-Stickstoff leicht abspaltbar. Damit ist das Sulfonamid eine
schwache Säure. Die Natur des Pyridin-Heteroaromaten kann durch geeignete
Theoretische Grundlagen 25
Substituenten beeinflusst werden. Elektronenschiebende Substituenten, beispiels-
weise eine Methyoxygruppe, erhöhen den pK
a
-Wert der Sulfonamid-Gruppe. Durch
solche Strukturvariationen können pK
a
-Werte zwischen 3 und 11 erzielt werden.
61
Darüberhinaus zeigen pH-sensitive Polymere mit Sulfonamid-Gruppen einen
schärferen Phasenübergang sowie eine höhere pH-Sensitivität im Vergleich zu
Polymeren mit Carboxylgruppen. Abgesehen davon kann der kritische pH-Wert eines
pH-sensitiven Polymers durch Copolymerisation mit hydrophoben Comonomeren
beeinflusst werden.
2.1.3. Sensitivität gegenüber anderen Stimuli
Polymere, deren Eigenschaften durch Lichtabsorption verändert werden können,
sind durch den Einbau von Azobenzen-
62,63
oder Spyrobenzopyran-Einheiten
64
in
das Makromolekül zugänglich. Azobenzen unterliegt einer cis-trans-Isomerisierung
bei Bestrahlung im UV/VIS-Bereich. Während das trans-Isomer keinen Dipolmoment
aufweist, zeigt das cis-Isomer einen Dipolmoment von 3 D und damit eine deutlich
höhere Hydrophilie. Spyrobenzopyran reagiert auf Bestrahlung oder Hitze mit einer
heterolytischen Bindungsspaltung, die zu einer geladenen Spezies und damit zu
einer höheren Hydrophilie führt.
Sensitivität gegenüber einem äußeren elektrischen Feld kann durch Immobilisierung
von beispielsweise Flüssigkristallen oder TiO
2
-Partikeln in einer polymeren Matrix
erreicht werden.
65,66
Im Fall der immobilisierten Flüssigkristalle führt die Ausrichtung
der optischen Achsen parallel zum angelegten elektrischen Feld zu einer Änderung
der Lichtdurchlässigkeit. Die Kräfte, die durch das elektrische Feld auf die
immobilisierten TiO
2
-Partikel wirken, werden direkt auf die polymere Matrix
übertragen, sodass eine Bewegung oder Deformation des Polymergels zu
beobachten ist.
Eine Reaktion des Polymers auf ein externes Magnetfeld kann auf gleiche Weise
durch Immobilisierung von magnetischen Partikeln im Polymer erzielt werden. So
führt beispielsweise die Immobilisierung von Magnetit-Partikeln in ein PNIPAAm-co-
Poly(vinylalkohol) Hydrogel zu kleinen Polymerkugeln, die sich unter Einwirkung
eines externen Magnetfelds selbst anordnen können.
67
Theoretische Grundlagen 26
Eine geschickte Kombination von pH-Sensitivtät und Enzymimmobilisierung kann zu
neuen sensitiven Materialien führen. Als anschauliches Beispiel kann in dieser
Hinsicht ein Polymersystem dienen, welches sensitiv auf die Anwesenheit von
Glucose reagiert.
68
Dazu werden die Enzyme Glucose-Oxidase, Katalase und Insulin
in ein Polymergel auf Basis von PDMAEMA eingebaut. Die Anwesenheit von
Glucose führt dazu, dass diese Zuckermoleküle in das Polymergel diffundieren. Dort
werden sie durch die immobilisierte Glucose-Oxidase zu Gluconsäure oxidiert. Die
enstehende Säure bewirkt eine Absenkung des pH-Werts in dem Polymergel und
folglich eine Protonierung der tertiären Aminogruppen, sodass das Polymergel
aufquillt. Durch das aufgeweitete Polymernetzwerk kann nun das Insulin freigesetzt
werden. Das bei dem Oxidationsprozess entstehende Wasserstoffperoxid wird von
der Katalase in Sauerstoff umgewandelt, welcher für die Oxidation der Glucose
benötigt wird. Auf diese Weise kann ein Polymersystem, welches sensitiv auf
Anwesenheit von Glucose reagiert, als ein selbstreguliertes System zur Insulinfrei-
setzung in Abhängigkeit der Glucosekonzentration im Blut genutzt werden.
Eine Diskussion von Polymersystemen, die neben den bislang diskutierten
Sensitivitäten auch auf beispielsweise Ultraschall oder die Anwesenheit von
Enzymen reagieren, findet sich u.a. in einem Übersichtsartikel von Bawa et al..
30
2.2. Kontrollierte radikalische Polymerisation
2.2.1. Freie radikalische Polymerisation und ihre Grenzen
Die industrielle Bedeutung der freien radikalischen Polymerisation lässt sich daran
messen, dass ungefähr 50 % aller kommerziellen Polymere mit dieser Methode
synthetisiert werden. Dazu zählen beispielsweise Poly(ethylen), Poly(vinylchlorid),
Poly(styrol), Poly(vinylacetat), Poly(acrylate) und Poly(methacrylate) sowie
Poly(acrylamide).
69
Neben diesen Homopolymeren lassen sich auch sehr viele
Copolymere über die freie radikalische Polymerisation herstellen. Darüberhinaus ist
die freie radikalische Polymerisation tolerant gegenüber einer Vielzahl an Lösungs-
mitteln, funktionellen Gruppen und Verunreinigungen, die bei chemischen Prozessen
eine Rolle spielen können. Sie kann in Substanz, in Lösung oder auch in
Dispersionen (Suspension, Emulsion, Mini- und Mikroemulsion oder inverser
Emulsion) durchgeführt werden. Mit dem industriellen Durchbruch der freien
Theoretische Grundlagen 27
radikalischen Polymerisation entwickelte sich auch ein tieferes Verständnis für die
Theorie hinsichtlich der Struktur und Reaktivität von Radikalen sowie der
Thermodynamik und Kinetik radikalischer Polymerisationen.
70,71
Reaktive Radikale, in den meisten Fällen ein valenzmäßig ungesättiges Kohlenstoff-
atom, bilden die aktive Spezies bei der radikalischen Polymerisation. Sie können
durch Konjugation, Hyperkonjugation oder durch eine captodative-Struktur
(Elektronendonor und –akzeptor direkt am Radikalzentrum) stabilisiert werden. Die
freie radikalische Polymerisation zählt zu den Kettenwachstumsreaktionen, die in vier
Abschnitte unterteilt werden können. Im ersten Schritt, dem Intitiatorzerfall, werden
die Radikale durch homolytischen Zerfall labiler Verbindungen erzeugt. Die dazu
benötigte Energie kann dem System entweder thermisch, photochemisch,
redoxchemisch oder mechanisch zugeführt werden. Als klassische Beispiele dienen
hierbei Azo- (α,α‘-Azobisisobutyronitril, AIBN) und Peroxoverbindungen (Dibenzoyl-
peroxid, BPO). Im zweiten Schritt, dem Kettenstart, addiert sich das durch den
Intitiatorzerfall entstandene Radikal an das erste Monomer. Trotz der hohen Reaktivi-
tät der Radikale beobachtet man bei den Additionsschritten eine hohe Chemo- und
Regioselektivit. Der Angriff des Radikals erfolgt meistens an dem am wenigsten
sterisch gehinderten Vinylkohlenstoffatom, sodass zumeist das stabilste Radikal
entsteht. Beim Kettenwachstum, als dritten Schritt, folgen nun eine Reihe an
radikalischen Additionen der wachsenden Polymerkette an immer neue Monomere.
Auch dabei wird eine hohe Regioselektivität beobachtet (Bildung von Kopf-Schwanz-
Verknüpfungen). Bei den meisten Modellen zur Beschreibung der Kinetik von
radikalischen Polymerisationen wird zudem davon ausgegangen, dass die Reaktivität
der Radikale unabhängig von der Länge der wachsenden Polymerkette ist. Im letzten
Teilschritt der radikalischen Polymerisation kommt es zum Abbruch des Ketten-
wachstums, entweder durch Rekombination, Disproportionierung oder Übertragung.
Obwohl die Rekombination und Disproportionierung einem Geschwindigkeitsgesetz
zweiter Ordnung bezüglich der Radikalkonzentration folgen, sind sie meistens immer
noch deutlich schneller als Übertragungsreaktionen, die in der Regel eine höhere
Aktivierungsenergie benötigen. Dabei führt die Übertragung des Radikals nur zu
einem Kettenabbruch, wenn das neu gebildete Radikal so stabil ist, dass es kein
neues Kettenwachstum starten kann. In einigen Fällen beobachtet man die Über-
tragung des Radikals auf eine bereits gebildete Polymerkette, sodass in diesem Fall
Kettenverzweigungen entstehen.
Theoretische Grundlagen 28
Die Natur der freien radikalischen Polymerisation birgt jedoch auch einige grund-
legende Nachteile. Aufgrund der relativ kurzen Lebensdauer der Radikale (≈ 1s) und
der verschiedenen Kettenabbruchreaktionen ist eine gezielte Endgruppen-
funktionalisierung und damit der Aufbau von komplexeren Polymerarchitekturen
unmöglich. Auch die Einstellung der mittleren Molmasse der Polymerketten ist nur
bedingt möglich. Man kann zwar durch die Initiatorkonzentration im Gemisch, die
Länge der Polymerketten beeinflussen, jedoch ist auch die Geschwindigkeit der
Polymerisation von der Initiatorkonzentration abhängig. Ebenso kann man durch
gezielte Übertragungsreaktionen bei Einsatz von Reglern (halogenierte
Verbindungen, Mercaptoverbindungen) einen Einfluss auf die mittlere Kettenlänge
nehmen. Eine gezielte Einstellung der mittleren Molmasse ist damit jedoch nicht
möglich. Die Molekulargewichtsverteilung bei Polymeren, die durch freie radikalische
Polymerisation hergestellt wurden, ist zudem mit Polydispersitäten zwischen 1,5 und
2,5 realtiv breit. Der Grund hierfür liegt einerseits in der unvollständigen und zeitlich
ausgedehnten Radikalbildung (Effizienz und Kinetik 1. Ordnung des Initiatorzerfalls)
und andererseits in der Statistik der Kettenabbruchreaktionen.
Die Nachteile und Grenzen der freien radikalischen Polymerisation zeigen die
Notwendigkeit der Entwicklung von kontrollierten Polymerisationstechniken auf. Die
bereits angedeuteten Probleme deuten auch bereits einen Lösungsweg an, mit dem
man die radikalische Polymerisation kontrollieren kann.
2.2.2. Prinzip und Merkmale der kontrollierten radikalischen
Polymerisation
„Das Problem erkennen ist wichtiger als die Lösung finden, denn die genaue
Darstellung des Problems führt fast automatisch zur richtigen Lösung.“
(Albert Einstein)
Eine genaue Diskussion der Nachteile und Grenzen der freien radikalischen
Polymerisation als Kettenwachstumsreaktion (siehe Abschnitt 2.2.1) zeigt bereits die
notwendigen Ansätze zur Problemlösung. Eine Kontrolle über Kettenwachstumsreak-
tionen kann nur erzielt werden, wenn man eine schnelle und vollständige Initiierung
gewährleisten kann und die Lebensdauer der wachsenden Kette durch Eliminierung
oder zumindest durch Minimierung der Abbruchreaktionen deutlich verlängern kann.
Eine erstmalige Realisierung dieser Umstände gelang durch Michael Szwarc bei der
Theoretische Grundlagen 29
lebenden anionischen Polymerisation.
72
Das Kettenwachstum erfolgt hierbei über die
Addition von Carbanionen an die Monomere. Die schnelle und vollständige Initiierung
erreicht man beispielsweise durch den Einsatz von Alkyllithium-Verbindungen. Die
vollständige Eliminierung von Abbruch- und Übertragungsreaktionen stellt außer-
ordentlich hohe Anforderungen an die Reinheit der Monomere und Lösungsmittel
sowie auch an die Dichtigkeit und Sauberkeit der Reaktionsapparaturen. Mit der
Entwicklung von speziellen Hochvakuumtechniken konnte die vollständige Abwesen-
heit von Feuchtigkeit und Sauerstoff während der Reaktion gewährleistet werden.
Dadurch konnte die Lebensdauer der Carbanionen über die Dauer der Polymerisa-
tion hinaus verlängert werden. Heute gilt die Entwicklung der lebenden anionischen
Polymerisation als Geburtstunde der Nanotechnologie, da sie eine erste Grundlage
zur Synthese von komplexen Polymerarchitekturen und somit nanostrukturierten
Materialien lieferte. Ebenso stellte sie den Ausgangspunkt für die Entwicklung neuer
Methoden zur kontrollierten Polymerisation dar. So wurden in den 1970er und 1980er
Jahren die lebende kationische Ringöffnungspolymerisation
73
und die lebende
kationische Polymerisation
74
entwickelt.
Die hohen Reinheitsanforderungen sowie der große apparative Aufwand bei den
ionischen Polymerisationen bestärkten zahlreiche Forschergruppen in ihrem Streben
die radikalische Polymerisation zu kontrollieren. Auch hier liegt die zentrale Heraus-
forderung darin, die Lebensdauer der wachsenden Polymerkette zu verlängern. Dies
gelingt, indem man die Geschwindigkeit der Abbruchreaktionen gegenüber der
Wachstumsreaktion verlangsamt. Die Geschwindigkeit der Abbruchreaktionen
(Rekombination, Disproportionierung) ist proportional zum Quadrat der Radikalkon-
zentration, während das Kettenwachstum eine direkte Proportionaliät zur Radikal-
konzentration zeigt. Somit sollte sich eine Minimierung der Radikalkonzentration
stärker auf die Abbruchreaktionen als auf das Kettenwachstum auswirken. Eine
Minimierung der Radikalkonzentration kann beispielsweise durch ein vorgelagertes
Gleichgewicht erreicht werden, durch das das Radikal reversibel in eine schlafende
Spezies überführt wird (Abbildung 2.2-1). Nur wenn das Kettenende als aktive
Spezies vorliegt, ist es zum Kettenwachstum und auch zum Kettenabbruch befähigt.
Theoretische Grundlagen 30
schlafende Spezies aktive Spezies
Aktivierung
Deaktivierung
Ketten-
wachstum
Ketten-
abbruch
bzw.
N
O
R
R
ClR
Abbildung 2.2-1: Prinzip der kontrollierten radikalischen Polymerisation
durch reversible Desaktivierung
Die Überführung in eine schlafende Spezies wird meistens durch ein stabiles Radikal
(z. B. ein Nitroxid) oder durch einen Übergangsmetallkomplex realisiert. In beiden
Fällen beruht die Einstellung des Gleichgewichts auf dem Persistent Radical Effect
(PRE).
75
Durch anfängliche Kettenabbruchreaktionen kommt es zur Anreicherung der
stabilen Radikale bzw. Übergangsmetallkomplexe gegenüber den wachsenden
Polymerketten, sodass das Gleichgewicht auf die Seite der schlafenden Spezies
verschoben wird. Somit wird die Radikalkonzentration minimiert. Die Gleichgewichts-
einstellung sollte dabei deutlich schneller sein als das Kettenwachstum und die
Kettenabbrüche.
Die zweite Möglichkeit Kettenabbrüche zu minimieren, ist das Etablieren eines
schnellen Austauschgleichgewichts (Abbildung 2.2-2). Dabei steht dem Radikal eine
überstöchiometrische Menge an Transferreagenz gegenüber. Durch Reaktion mit
diesem Transferreagenz wird die Radikalfunktion auf eine andere Kette übertragen.
In diesem Fall übernimmt das Transferreagenz die Rolle der schlafenden Spezies.
Erfolgt dieser Austausch deutlich schneller als die Kettenabbruchreaktionen, so kann
man auf diese Weise ebenfalls Kontrolle über die radikalische Polymerisation
erlangen.
Theoretische Grundlagen 31
s
c
h
l
a
f
e
n
d
e
S
p
e
z
i
e
s
B
aktive Spezies B
Transfer
Kettenabbruch
s
c
h
l
a
f
e
n
d
e
S
p
e
z
i
e
s
A
aktive Spezies A
Ketten-
wachstum
Kettenabbruch
Ketten-
wachstum
R S
S
R
1
R S
S
R
2
R
1
R
2
Abbildung 2.2-2: Prinzip der kontrollierten radikalischen Polymerisation
durch degenerativen Kettentransfer
Sowohl bei der reversiblen Desaktivierung als auch beim degenerativen Kettentrans-
fer ist eine schnelle Gleichgewichtseinstellung grundlegend wichtig, um ein gleich-
mäßiges Wachstum der Polymerketten zu garantieren. Liegt eine im Vergleich zum
Kettenwachstum sehr schnelle und vollständige Initiierung vor, dann wird die Anzahl
der wachsenden Ketten durch die Konzentration an Initiator bestimmt. Sind sowohl
eine schnelle Gleichgewichtseinstellung als auch eine schnelle und vollständige
Initiierung gewährleistet, dann erhält man eine gute Kontrolle über das mittlere Mole-
kulargewicht der Ketten bei einer engen Molekulargewichtsverteilung (Polydispersität
kleiner 1,3). Für diesen Fall weist die Polymerisation folgende Merkmale auf:
76
linearer Zusammenhang zwischen ln(c(M)/c(M
0
)) und Reaktionszeit t
(Kinetik 1. Ordnung)
tk
Mc Mc
eff
⋅=
−)( )(
ln
0
Gleichung 1
c(M) Monomerkonzentration zum Zeitpunkt t
c
0
(M) Monomerkonzentration zum Zeitpunkt t = 0
k
eff
effektive Geschwindigkeitskonstante
linearer Zusammenhang zwischen der zahlenmittleren Molmasse und
dem Monomerumsatz
Theoretische Grundlagen 32
Mn
UKM
⋅
=
Gleichung 2
M
n
zahlenmittlere Molmasse des Polymers
U
M
Monomerumsatz
K Konstante
Polydispersität sinkt mit steigendem Monomerumsatz
2
)(
11
1
n
nn
w
P
PM
M−+=
Gleichung 3
Mw gewichtsmittlere Molmasse des Polymers
Pn zahlenmittlerer Polymerisationsgrad
Gezielte Beeinflussung der Endgruppenfunktionalität möglich
Bei der aktiven Spezies handelt es sich jedoch stets um Radikale, die nicht nur zum
Kettenwachstum sondern immer auch zu Kettenabbrüchen befähigt sind, wenn auch
nur in geringen Maße. Dieser Unterschied zwischen Minimierung und Eliminierung
von Kettenabbrüchen sollte sich auch in der differenzierten Nomenklatur von
„kontrollierter“ und „lebender“ Polymerisation wiederspiegeln. Diese begriffliche
Unterscheidung wird jedoch in der Literatur nicht konsequent umgesetzt.
Die verschiedenen Methoden der kontrollierten radikalischen Polymerisation unter-
scheiden sich lediglich in der Natur des Gleichgewichts zwischen aktiver und
schlafender Spezies. Im Folgenden werden die drei wichtigsten Methoden
vorgestellt: Reversible Addition Fragmentation Chain Transfer Radical Polymerization
(RAFT), Nitroxide Mediated Radical Polymerization (NMRP) und Atom Transfer
Radical Polymerization (ATRP). Der Schwerpunkt liegt dabei jedoch auf der ATRP,
da diese Methode in der vorliegenden Arbeit zur Synthese der sensitiven Blockco-
polymere verwendet wurde.
2.2.3. Reversible Addition Fragmentation Chain Transfer Radical
Polymerization (RAFT)
Die Reversible Addition Fragmentation Chain Transfer Radical Polymerization
(RAFT) ist eine sehr häufig genutzte Methode der kontrollierten radikalischen
Polymerisation, welche auf einem degenerativen Kettentransfer beruht. Das zentrale
Element dieser Methode ist eine Verbindung, die formal als Radikalüberträger
Theoretische Grundlagen 33
fungiert. Damit wird das „aktive“ Ende einer wachsende Kette reversibel deaktiviert,
wobei das freie Elektron auf ein bis dahin „inaktives“ Kettenende unter Bildung einer
„schlafenden“ Spezies ([R
1
-X-R
2
]
·
) übertragen wird. Die jeweils aktiven Kettenenden
unterliegen den bekannten Wachstums- und Abbruchreaktionen. Erzeugt werden die
Radikale über den Zerfall gängiger Initiatoren (AIBN, BPO). Abbildung 2.2-3 zeigt das
zentrale Gleichgewicht des Kettenwachstums bei der RAFT.
77
R
1
-X + R
2
.k
exch
R
2
-X
+
R
1
.
k
p
MKettenabbruch
k
t
k
p
M
Kettenabbruch
[R
1
-X-R
2
].
k
act
k
act
k
deact
k
deact
R1
X
M
Kettenende des Makromoleküls 1
Radikalüberträger
Monomer
kact Geschw.-konstante der
Aktivierung
kdeact Geschw.-konstante der
Deaktivierung
kpGeschw.-konstante des
Kettenwachstums
ktGeschw.-konstante des
Kettenabbruchs
R2Kettenende des Makromoleküls 2
kexch Geschw.-konstante der
Radikalübertragung
Abbildung 2.2-3: Schema zur RAFT
Ein schnelles Austauschgleichgewicht zwischen der aktiven wachsenden und der
deaktivierten schlafenden Polymerkette sollte eine gleiche Wachstumswahrschein-
lichkeit für alle Polymerketten und damit eine enge Molekulargewichtsverteilung zur
Folge haben.
78
Um diesen schnellen Kettentransfer zu realisieren, bedarf es einer
strukturellen Anpassung des Transferreagenzes an die Aktivität des jeweiligen
Monomers. Bei den Transferreagenzien handelt es sich um Derivate von Thio-
carbonylverbindungen. Abbildung 2.2-4 zeigt einige Beispiele für solche Transfer-
reagenzien.
Eine Diskussion von strukturellen Einflüssen auf die Aktivität der Transferreagenzien
sowie Kriterien zur Auswahl von Transferreagenzien für die Polymerisation von
verschiedenen Monomeren werden in der Literatur beschrieben.
77,78
Da jedoch nur
wenige RAFT-Reagenzien kommerziell erhältlich sind, müssen die beschriebenen
Theoretische Grundlagen 34
Thiocarbonyverbindungen zumeist noch synthetisiert werden. Dies stellt einen
wesentlichen Nachteil der RAFT dar. Nach der Polymerisation behält der Großteil der
Polymerketten die Thiocarbonylgruppe am Kettenende. Dies ermöglicht einerseits
eine gezielte Endgruppenfunktionalisierung, andererseits muss jedoch für bestimmte
Anwendungen die Thiocarbonylgruppe noch entfernt werden.
79
Z S
S
R
Z
NSCH
3
O
H
2
CCH
3
R
CH
3
H
3
CCN
CH
3
H
3
CPh
CH
3
H
3
CCOOEt
Abbildung 2.2-4: Strukturen einiger Transferreagenzien
Die RAFT bietet neben der ATRP eine weitere Synthesemöglichkeit für die Herstel-
lung funktioneller Polymere mit komplexer Architektur.
80
Besonders amphiphile und
sensitive Blockcopolymere werden via RAFT synthetisiert.
81-84
2.2.4. Nitroxide Mediated Radical Polymerization (NMRP)
Bei der Nitroxide Mediated Radical Polymerization (NMRP) erfolgt die Deaktivierung
der wachsenden Polymerkette durch eine reversible Rekombination mit einem
stabilen (persistenten) Nitroxidradikal (Abbildung 2.2-6). Die Nitroxide, die auch als
N-Oxyle bezeichnet werden, können als Derivate des Stickstoffmonoxids aufgefasst
werden (Abbildung 2.2-5). In Analogie zum Stickstoffmonoxid besitzen auch die
Nitroxide ein ungepaartes Elektron, welches über die Stickstoff-Sauerstoff-Bindung
delokalisiert ist. Sowohl diese Delokalisierung des freien Elektrons als auch die
„captodative“ Struktur des Radikals (Donor-Akzeptor-Substitution unmittelbar am
radikaltragenden Atom) tragen zur besonderen Stabilität dieser Radikale bei.
Als erstes Nitroxidradikal wurde TEMPO für die Polymerisation von Styrol
eingesetzt.
85
Damit gelang es, engverteiltes Polystyrol mit einer Polydispersität
kleiner 1,3 herzustellen. Die Radikale wurden dabei durch Zerfall von gängigen
Initiatoren (AIBN, BPO) erzeugt.
Theoretische Grundlagen 35
N
O
N
O
P
O OEt
OEt
N
O
2,2,6,6-Tetramethyl-
1-piperidinyloxy
(TEMPO)
2,2,5-Trimethyl-4-phenyl-
3-azahexan-N-oxyl
(TIPNO)
4-(Diethoxyphosphinyl)-2,2,5,5-
tetramethyl-3-azahexan-N-oxyl
(SG1 bzw. DEPN)
Abbildung 2.2-5: Strukturen einiger Nitroxidradikale
R-X R.+
k
act
k
deact
k
p
MKettenabbruch
k
t
R
X
.
M
Kettenende
Nitroxidradikal
Monomer
k
act
Geschw.-konstante der
Aktivierung
k
deact
Geschw.-konstante der
Deaktivierung
k
p
Geschw.-konstante des
Kettenwachstums
k
t
Geschw.-konstante des
Kettenabbruchs
X.
Abbildung 2.2-6: Schema zur NMRP
Die Deaktivierung der wachsenden Spezies erfolgt durch reversible Rekombination
zwischen dem radikaltragenden Kettenende und dem Nitroxid. Durch anfängliche
Abbruchreaktionen kommt es zur Anreicherung des Nitroxidradikals (PRE-Effekt),
sodass das Gleichgewicht auf die Seite der schlafenden Spezies verschoben wird.
Die entstehende C-O-N-Bindung ist thermolabil und kann bei Temperaturen oberhalb
von 130 °C wieder gespalten werden. Somit kann die Lage des Gleichgewichts
zwischen schlafender und aktiver Spezies auch durch die Reaktionstemperatur
beeinflusst werden.
Bei der klassischen NMRP wird das Deaktivierungsgleichgewicht ausgehend von der
aktiven Spezies (mit klassischen Radikalstartern) eingestellt. Um eine gezielte End-
gruppenfunktionalisierung zu erhalten, wurden neue Initiatoren auf Basis von
Theoretische Grundlagen 36
Alkoxyaminen entwickelt.
86
Diese besitzen bereits eine thermolabile C-O-N-Bindung,
die bei höheren Temperaturen gespalten wird und sowohl das Initiatorradikal als
auch das Nitroxidradikal freisetzt. Auf diese Weise wird das Deaktivierungsgleichge-
wicht ausgehend von der Seite der schlafenden Spezies eingestellt. Mit der
Entwicklung von Alkoxyaminen auf Grundlage von neuen Nitroxidradikalen (TIPNO,
SG1) gelang es neben Styrol und seinen Derivaten auch Acrylate und Acrylamide
kontrolliert zu polymerisieren.
87
Neben der kleinen Bandbreite an verwendbaren Monomeren zählen auch die
aufwendige Synthese der Alkoxyamine und die hohen Temperaturen zu den Nach-
teilen der NMRP. Mit der zunehmenden kommerziellen Verfügbarkeit an ver-
schiedenen Nitroxiden ist auch ein gestiegenes Interesse an der NMRP zu ver-
zeichnen.
88
2.2.5. Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP)
Bei der Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP) bedient man sich eines
Redox-Gleichgewichts zur Desaktivierung der aktiven Spezies (Abbildung 2.2-7). Als
Katalysator fungiert ein Übergangsmetallkomplex, in dem sich die Oxidationsstufen
des Übergangsmetalls um ±1 unterscheiden. Die Reduktion des Übergangsmetall-
komplexes hat zur Folge, dass ein Halogen- bzw. Pseudohalogenatom auf das aktive
Kettenende übertragen wird. Auf diese Weise wird das Radikal am Ende der
wachsenden Polymerkette in ein Alkylhalogenid als schlafende Spezies überführt.
Durch Oxidation des Metallkomplexes wird die Kohlenstoff-Halogenatom-Bindung
reduktiv gespalten, wobei wiederum das freie Radikal als aktive Spezies am
Kettenende entsteht und das Halogenid auf den Metallkomplex übertragen wird.
Ihren Ursprung hat die ATRP in der übergangsmetallkatalysierten radikalischen
Addition. Bei der Atom Transfer Radical Addition (ATRA) verwendet man ebenfalls
ein Redox-System zur Erzeugung von Radikalen, die danach an eine Vinylver-
bindung addiert werden können.
89
1995 entdeckten Matyjaszewski
90
und
Sawamoto
91
unabhängig voneinander, dass diese Art von Redox-Gleichgewicht zur
Kontrolle der radikalischen Polymerisation genutzt werden kann. Dies war der
Ausgangpunkt für eine enorme Entwicklung auf dem Gebiet der kontrollierten
radikalischen Polymerisation. Nur 5 Jahre später gab es bereits eine überwältigende
Theoretische Grundlagen 37
Anzahl an Forschungsarbeiten, die den Wert der ATRP für die kontrollierte Synthese
von Homopolymeren sowie komplexen Polymerarchitekturen wiederspiegelten.
92
R-X + M
tn
-Y/Ligand R.+X-M
tn+1
-Y/Ligand
k
act
k
deact
k
p
MKettenabbruch
k
t
R
X
M
t
M
Y
Kettenende
Halogenatom (Cl,Br,I)
Übergangsmetall (z.B. Cu)
Monomer
Gegenion
k
act
Geschw.-konstante der
Aktivierung
k
deact
Geschw.-konstante der
Deaktivierung
k
p
Geschw.-konstante des
Kettenwachstums
k
t
Geschw.-konstante des
Kettenabbruchs
Abbildung 2.2-7: Schema zur ATRP
Das klassische ATRP-Reaktionsgemisch besteht aus verschiedenen Komponenten.
Neben dem Monomer benötigt man einen Initiator, ein Übergangsmetallsalz als Kata-
lysator sowie einen Liganden zur Komplexierung des Übergangsmetalls. Wahlweise
wird das Gemisch noch durch ein Lösungsmittel ergänzt. Die Minimierung der
Radikalkonzentration beruht auch bei der ATRP auf dem Persistent Radical Effect
(siehe Abschnitt 2.2.2). Aufgrund von anfänglichen Abbruchreaktionen kommt es zur
Anreicherung des Übergangsmetallkomplexes in seiner oxidierten Form. Dies führt
zu einer Verschiebung des Redox-Gleichgewichts auf die Seite des Alkylhalogenids
als schlafende Spezies. Dennoch haben alle genannten Komponenten einen Einfluss
auf die Lage des Redox-Gleichgewichts, was eine theoretische Beschreibung des
ATRP-Systems verkompliziert. Der Vorteil der ATRP gegenüber den anderen
diskutierten Methoden (NMRP und RAFT) liegt zweifelsfrei in der kommerziellen Ver-
fügbarkeit nahezu aller Komponenten des ATRP-Systems. Dies erleichtert vor allem
die Anpassung des ATRP-Systems an die Reaktivität verschiedener Monomere.
Eine Schlüsselrolle zur Einstellung des Gleichgewichts zwischen aktiver und
schlafender Spezies bei der ATRP kommt dem Übergangsmetallkomplex zu. Der
Übergangsmetallkomplex muss jedoch einige Anforderungen erfüllen.
92
Zunächst
muss das Metallzentrum zwei leicht zugängliche Oxidationsstufen besitzen, die sich
nur um 1 in den Oxidationszahlen unterscheiden. Zudem sollte das Metallzentrum
Theoretische Grundlagen 38
eine gewisse Affinität zum Halogen aufweisen. Des Weiteren sollte die Koordina-
tionssphäre um das Metallzentrum genügend erweiterbar sein, um einen Wechsel
der Oxidationsstufen gewährleisten zu können. Die Liganden sollten außerdem
relativ stark an das Zentralion gebunden sein. Die ATRP wurde bereits mit
verschiedenen Übergangsmetallen durchgeführt: Titan,
93
Molybdän
94
, Rhenium
95
,
Eisen
96
, Ruthenium
97
, Osmium
98
, Rhodium
99
, Cobalt
100
, Nickel
101
, Palladium
102
und
Kupfer
92
. Dabei hat sich gezeigt, dass Kupferkomplexe eine Vielzahl an Monomeren
in verschiedenen Reaktionsmedien kontrolliert polymerisieren können. Um das
Übergangsmetall zu komplexieren, werden in der Regel mehrzähnige Stickstoff-
liganden verwendet. Abbildung 2.2-8 zeigt eine Auswahl an linearen (PMDETA),
verzweigten (Me
6
Tren) und zyklischen Stickstoffliganden (Me
4
Cyclam) sowie auch
einen Vertreter der aromatischen Stickstoffliganden (2,2‘-bpy). Als Initiatoren werden
meistens α-akzeptorsubstituierte Alkylhalogenide bzw. Benzylhalogenide verwendet.
N
N N
NNN
N
N N
NN
NN
PMDETA
Me6Tren
Me4Cyclam
2,2'-bpy
Abbildung 2.2-8: Strukturen einiger ausgewählter Liganden für die
ATRP: N,N,N‘,N‘‘,N‘‘-Pentamethyldiethylentriamin
(PMDETA), Tris[2-(dimethylamino)ethyl]amin
(Me
6
Tren), 1,4,8,11-Tetramethyl-1,4,8,11-
tetraazacyclotetradecan (Me
4
Cyclam), 2,2‘-Bipyridin
(2,2‘-bpy)
Die quantitative Beschreibung des Gleichgewichts zur reversiblen Deaktivierung der
wachsenden Kettenenden (Abbildung 2.2-7) kann mit Hilfe des Massenwirkungs-
gesetzes vorgenommen werden:
Theoretische Grundlagen 39
)()(
)()(
1
n
t
n
t
eq
McXRc
MXcRc
K⋅−
−⋅
=
+•
Gleichung 4
K
eq
konzentrationsbezogene Gleichgewichtskonstante
c(R
.
) Konzentration der freien Kettenenden
c(R-X) Konzentration der schlafenden Kettenenden
c(X-M
tn+1
) Konzentration des Übergangsmetalls in seiner oxidierten Form mit der Oxidationszahl
n+1
c(M
tn
) Konzentration des Übergangsmetalls in seiner reduzierten Form mit der
Oxidationszahl n
Unter der Voraussetzung, dass die Einstellung des beschriebenen Redox-Gleichge-
wichts sehr schnell erfolgt, eine Grundvoraussetzung für niedrige Polydispersität des
resultierenden Polymers, kann für die Kettenwachstumsgeschwindigkeit folgender
kinetischer Ansatz formuliert werden:
)()(
)(
•
⋅⋅=−= RcMck
dt
Mdc
r
pP
Gleichung 5
r
P
Kettenwachstumsgeschwindigkeit
k
P
Geschwindigkeitskonstante des Kettenwachstums
c(M) Monomerkonzentration zum Zeitpunkt t
Die Konzentration der freien Kettenenden c(R
.
) in Gleichung 5 kann mit Hilfe des
Massenwirkungsgesetzes (Gleichung 4) ausgedrückt werden. Damit ergibt sich:
)(
)(
)()(
)(
1
Mc
MXc
McXRc
Kk
dt
Mdc
r
n
t
n
t
eqPP
⋅
−
⋅−
⋅⋅=−=
+
Gleichung 6
Unter Vernachlässigung der geringen Konzentration an freien Kettenenden und unter
der Annahme, dass das Ausmaß von Abbruchreaktionen verschwindend klein ist,
entspricht die Konzentration an schlafenden Kettenenden der anfänglichen
Initiatorkonzentration. Somit ergibt sich die nachstehende Differentialgleichung:
)(
)(
)()(
)(
1
0
Mc
MXc
McIc
Kk
dt
Mdc
r
n
t
n
t
eqPP
⋅
−
⋅
⋅⋅=−=
+
Gleichung 7
c
0
(I) Anfangskonzentration des Initiators
Die Integration von Gleichung 7 ergibt:
Theoretische Grundlagen 40
tk
Mc
Mc
eff
⋅=
)(
)(
ln
0
mit
)(
)()(
1
0
+
−
⋅
⋅⋅=
n
t
n
t
eqPeff
MXc
McIc
Kkk
Gleichung 8
c
0
(M) Monomerkonzentration zum Zeitpunkt t = 0
Aus Gleichung 7 geht hervor, dass die Polymerisationsgeschwindigkeit sowohl von
der Anzahl an wachsenden Ketten als auch von der Gleichgewichtskonstante des
Redox-Gleichgewichts (K
eq
= k
act
/ k
deact
) abhängt. Zudem hängt die Polymerisations-
geschwindigkeit vom Konzentrationsverhältnis zwischen Aktivator (M
tn
) und Desakti-
vator (M
tn+1
) ab.
Um eine Vorhersage über die Aktivität eines ATRP-Systems treffen zu können, ist es
notwendig, verschiedene Struktur-Eigenschaftsbeziehungen bei Liganden und
Initiatoren zu untersuchen. Tang et al. untersuchten beispielsweise den Einfluss der
Ligandstruktur auf die Aktivierungskonstante des Redoxgleichgewichts.
103
Dabei
fanden sie heraus, dass die Aktivität eines Liganden mit zunehmender Länge der
Verbrückung zwischen den Stickstoffatomen abnimmt (C
2
> C
3
>> C
4
). Zudem hat die
Struktur des Liganden einen Einfluss auf dessen Aktivität (linear > zyklisch
≈
verzweigt). Auch die Natur des Stickstoffatoms beeinflusst die Reaktivität des
Liganden (Pyridin
≈
Alkylamin > Alkylimin > Arylimin > Arylamin). Strukturelle
Veränderungen, die sterische Hinderung am Stickstoffatom erhöhen, verringern die
Aktivität des Liganden erheblich. Dass das Redoxpotential des Desaktivierungs-
gleichgewichts mit der Polymerisationsrate korreliert, konnte anhand einer Studie von
zahlreichen Kupferkomplexen nachgewiesen werden.
104
Eine Studie zum Einfluss
der Initiatorstruktur auf die Aktivierungskonstante des Redox-Gleichgewichts wurde
ebenfalls durchgeführt.
105
Dabei zeigte sich, dass die Aktivität des Initiators maß-
geblich vom Substitutionsgrad des Halogenid-Kohlenstoffatoms abhängt (tertiär >
sekundär > primär). Zudem spielt die Natur des Halogens und damit die
Dissoziationsenergie der Kohlenstoff-Halogen-Bindung ein wesentliche Rolle (I > Br
> Cl). Auch die Natur des stabilisierenden Substituenten in
α
-Position trägt zur
Aktivität des Initiators bei (CN >> COOR
≈
Phenyl). Struktur-Eigenschafts-
Beziehungen, die die Desaktivierungskonstante beeinflussen, konnten bislang trotz
verschiedener Anstrengungen nicht gefunden werden.
69
Dabei ist gerade die Ge-
schwindigkeitskonstante der Deaktivierung für die Kontrolle der Molekulargewichts-
verteilung wichtig. Neben der Struktur von Ligand und Initiator gibt es weitere
Faktoren, die die ATRP beinflussen, jedoch an dieser Stelle nicht näher diskutiert
Theoretische Grundlagen 41
werden können: Temperatur
106
und Lösungsmittel
107
sowie das Verhältnis von
Ligand zu Katalysator. Des Weiteren können Nebenreaktionen auftreten, die
entweder zu geringen Umsätzen oder zum Verlust der Kontrolle über die radikalische
Polymerisation führen.
69
Ein Beispiel hierfür ist die Bildung von elementarem Kupfer
durch Disproportionierung von Kupfer(I) in polaren Lösungsmitteln.
108
Die bislang diskutierte klassische ATRP unter Einsatz von Kupfer(I)-salzen als Kata-
lysator in Kombination mit einem Stickstoffliganden und einem Alkyl- bzw. Benzyl-
halogenid als Initiator lässt sich im Labormaßstab gut umsetzen. Eine industrielle
Anwendung der klassischen ATRP wird durch den Einsatz von oxidations-
empfindlichen und giftigen Metallkomplexen erschwert, da neben einer aufwendigen
Vorbereitung (Entfernen des Luftsauerstoffs aus dem Reaktionsgemisch) auch noch
eine Abtrennung des Katalysatorkomplexes nach der Reaktion erfolgen muss.
Deshalb werden seit einiger Zeit Anstrengungen unternommen, die ATRP im Sinne
der „Grünen Chemie“ zu optimieren.
109
Neben dem Einsatz von umweltverträglichen
Lösungsmitteln, der Entwicklung von effizienteren Katalysatoren steht auch die
Entwicklung von Methoden zur Minimierung der Katalysatorkonzentration im
Vordergrund.
Einen ersten Ansatz, die Oxidationsempfindlichkeit der Kupfer(I)-salze zu umgehen,
liefert die Reverse ATRP.
110
Dabei verwendet man Kupfer(II)-komplexe in
Kombination mit einem klassischen Radikalstarter (z. B. AIBN). Die gebildeten
Radikale werden durch den Kupfer(II)-komplex zum Alkylhalogenid als schlafende
Spezies oxidiert. Im Vergleich zur klassischen ATRP wird hier das Gleichgewicht
ausgehend von der Seite der aktiven Spezies eingestellt. Dennoch muss hierbei der
Katalysator in stöchiometrischer Menge eingesetzt werden und die Synthese von
Blockcopolymeren ist mit dieser Methode nicht möglich. Eine Methode mit der man
das Redox-Gleichgewicht simultan von der Seite der schlafenden als auch der
aktiven Spezies einstellen kann bezeichnet man als Simultaneous Reverse and
Normal Initiation ATRP (SR&NI ATRP).
111
In diesem Fall wird neben dem
Alkylhalogenid-Initiator eine geringe Menge an klassischem Radikalstarter
zugegeben. Als Katalysator fungiert wiederum ein stabiler Kupfer(II)-Komplex. Die
durch den Zerfall des Radikalstarters entstehenden Radikale reduzieren den
Kupfer(II)-Komplex. Der auf diese Weise gebildete Kupfer(I)-Komplex kann nun mit
dem Alkylhalogenid-Initiator der ATRP einleiten. Diese Methode kann zwar auch in
Theoretische Grundlagen 42
Emulsions- und Miniemulsionspolymerisationen eingesetzt werden, dennoch ensteht
bei der Synthese von Blockcopolymeren durch den Zerfall des Radikalstarters stets
ein geringer Anteil an Homopolymer. Verwendet man anstelle eines Radikalstarters
ein anderes Reduktionsmittel, welches nur den Kupfer(II)-Komplex reduzieren aber
selbst keine Polymerisation starten kann, so sollte die Synthese von reinen
Blockcopolymeren möglich sein. Dieses Verfahren bezeichnet man als Activators
Generated by Electron Transfer ATRP (AGET ATRP). Als Reduktionsmittel können
beispielsweise Zinn(II)-2-ethylhexanoat
112
, Ascorbinsäure
113
oder Triethylamin
114
eingesetzt werden. Auch die AGET ATRP wurde bereits erfolgreich in Wasser und in
einer inversen Miniemulsion durchgeführt.
115
Das Prinzip der AGET ATRP konnte
sogar auf die kontrollierte Polymerisation von Styrol mit einem Eisen(III)-Katalysator
angewendet werden.
116
Alle bislang diskutierten Methoden ermöglichen es nicht, die
erforderliche Menge an Kupferkatalysator zu reduzieren. Bei einer zu geringen
Menge an Kupfer(I)-Katalysator würde dieser aufgrund des PRE fast vollständig zu
Kupfer(II) oxidiert werden und die ATRP käme bereits bei niedrigen Umsätzen zum
Erliegen. Dies kann verhindert werden, wenn man einen großen Überschuss an
Reduktionsmittel zusetzt. Diese Überlegung führte zu den Methoden Initiators for
Continous Activator Regeneration ATRP (ICAR ATRP)
117
und Activators
Regenerated by Electron Transfer ATRP (ARGET ATRP)
118
. Auf diese Weise gelang
es, die erforderliche Menge an Kupferkatalysator bei der ARGET ATRP auf bis zu 10
ppm zu reduzieren.
119
Eine solch geringe Konzentration an Katalysator lässt jedoch
keinen Spielraum für eventuelle Nebenreaktionen. Folglich muss eine Minimierung
der Katalysatorkonzentration mit einem vertieften Verständnis für den Mechanismus
der ATRP einhergehen, um eventuelle Nebenreaktionen, die die Katalysatoraktivität
verringern, zu verhindern.
120
Die ATRP hat sich zu einer der wichtigsten Techniken in der Polymersynthese ent-
wickelt. Die Vielzahl an Monomeren, die mit Hilfe der ATRP polymerisiert werden
können, umfasst nicht nur Styrol inklusive seiner Derivate sondern auch
(Meth)Acrylate und (Meth)Acrylamide sowie Acrylnitril.
69,92
Ähnlich wie bei den
anderen zuvor diskutierten Methoden sind über die ATRP Polymere mit einer
einstellbaren mittleren Molmasse und einer engen Molekulargewichtsverteilung
zugänglich.
121
Zudem können nicht nur Copolymere mit einer definierten Zusammen-
setzung
122
sondern auch komplexe Polymerarchitekturen
123
realisiert werden. Die
Ursache dafür liegt in der hohen Endgruppenfunktionalität der Makromoleküle, die
Theoretische Grundlagen 43
über die ATRP hergestellt werden. Damit können diese Polymere nicht nur in einer
polymeranalogen Reaktion modifiziert, sondern auch als Makroinitiatoren für die Syn-
these von Blockcopolymeren verwendet werden.
124,125
Durch geeignete Modifizierung
mit einem ATRP-Initiator können oberflächengebundene Polymere synthetisiert
werden (Surface Initiated ATRP, SI-ATRP).
126
Auf diese Weise können zum Beispiel
bioaktive oder auch nanostrukturierte Oberflächen erhalten werden.
127,128
Aufgrund
der diskutierten Vorteile und Entwicklungen findet die ATRP bereits heutzutage ihre
Anwendung in der Industrie.
129
Namenhafte Firmen wie zum Beispiel Ciba Speciality
Chemicals, Degussa oder PPG verwenden die ATRP um Graft- und Kamm-
Copolymere herzustellen. Trotz der aufwändigen Vorbereitung des ATRP-
Reaktionsgemisches (Mischen der einzelnen Komponenten, Entfernen des
Sauerstoffs) sowie der Aufreinigung des synthetisierten Polymers (Entfernen des
Kupferkatalysators) gibt es bereits Studien zu einer kontinuierlichen ATRP in einem
Durchflussreaktor.
130
2.3. Blockcopolymere
Unterschiedliche Homopolymere zeigen in der Regel eine sehr geringe Tendenz,
sich miteinander zu mischen. Mit steigender Molmasse nimmt die Mischbarkeit noch
weiter ab. Eine elegante Methode, die Eigenschaften verschiedener Polymere
dennoch miteinander zu verbinden, stellt die Copolymerisation dar. Als Copolymer
bezeichnet man Makromoleküle, die in ihrer Polymerkette mehr als einen Monomer-
typ enthalten.
125
Unter Blockcopolymeren versteht man Makromoleküle, die aus mit-
einander verknüpften unterschiedlichen Homopolymerketten (Blöcken) bestehen.
131
Diese Blöcke können sowohl linear miteinander verknüpft sein oder auch komplexere
nichtlineare Architekturen bilden.
132,133
Der Fokus dieser Arbeit ist auf amphiphile
lineare AB-Diblockcopolymere gerichtet. Der unterschiedliche Charakter beider
Blöcke bzw. deren thermodynamische Inkompatibilität eröffnet den Zugang zu einer
großen Vielfalt an Mikrostrukturen, die durch Selbstorganisation der Makromoleküle
sowohl in fester Phase als auch in polymerer Lösung gebildet werden.
134
Die
Größenordnung der Mikrostrukturen liegt im Bereich der Dimension der Blockcopoly-
mere (5 – 50 nm), sodass diese Strukturierung eng mit den physikalischen und
chemischen Eigenschaften der Makromoleküle verknüpft ist.
Theoretische Grundlagen 44
Prinzipiell sind Blockcopolymere durch eine Reihe von Polymerisationsarten und
durch polymeranaloge Umwandlungen zugänglich.
125,135
Dazu gehören neben den
ionischen Polymerisationen (anionisch, kationisch) auch die kontrolliert radikalische
Polymerisation, die Gruppentransferpolymerisation und die Polymerisation auf Basis
der Ringöffnungsmetathese. In den folgenden Abschnitten sollen kurz die grund-
legenden Strategien zur Synthese von linearen AB-Diblockcopolymeren mit Augen-
merk auf die ATRP diskutiert werden. Des Weiteren soll ein kurzer Einblick in den
Selbstorganisationsprozess (self-assembly) von amphiphilen Diblockcopolymeren
und den daraus resultierenden Nanostrukturen gegeben werden. Schließlich sollen
Möglichkeiten aufgezeigt werden, die Selbsorganisation durch Einsatz von sensitiven
Diblockcopolymeren zu kontrollieren.
2.3.1. Strategien zur Synthese von AB-Diblockcopolymeren
Eine unvermeidbare Voraussetzung für die Synthese von linearen Blockcopolymeren
ist eine Kontrolle der Endgruppenfunktionalität. Damit fällt der Blickpunkt besonders
auf lebende oder zumindest kontrollierte Polymerisationstechniken (Abschnitt 2.2),
die eine Synthese von Homo- bzw. Copolymeren mit definierten Endgruppen er-
lauben. Durch genaue Endgruppenkontrolle ergeben sich prinzipiell drei mögliche
Synthesestrategien für lineare AB-Diblocopolymere (Abbildung 2.3-1).
Zunächst können lineare Blockcopolymere in einer Eintopfreaktion durch sequentielle
Monomerzugabe hergestellt werden. Dabei wird zunächst ein Homopolymer als
Block A mit einer aktiven Endgruppe über eine lebende oder kontrollierte Polymerisa-
tion synthetisiert. Über diese aktive Endgruppe kann nun durch direkte Zugabe des
zweiten Monomers ein zweites Homopolymer als Block B synthetisiert werden. Dies
setzt unweigerlich voraus, dass beide Monomere unter gleichen Bedingungen
(Polymerisationart, Katalysator, Lösungsmittel, Temperatur, etc.) polymerisiert
werden können. Außerdem muss die Synthese des ersten Blocks einen möglichst
quantitativen Umsatz bei möglichst vollständigem Erhalt der Endgruppen aufweisen,
um die Homogenität des zweiten Blocks zu gewährleisten und ein Gemisch aus
Homo- und Diblockcopolymer zu vermeiden. Die Blockcopolymerisation durch
sequentielle Monomerzugabe wurde erstmals durchgeführt, um den lebenden
Charakter der Polymerketten bei der anionischen Polymerisation nachzuweisen.
72
Theoretische Grundlagen 45
Auch bei der kontrollierten radikalischen Polymerisation ist die Synthese von Block-
copolymeren durch sequentielle Monomerzugabe möglich.
136,137
Abbildung 2.3-1: Strategien zur Synthese von linearen AB-
Diblockcopolymeren
Je unterschiedlicher die chemische Natur der beiden Blöcke A und B wird, desto
unwahrscheinlicher ist es, dass beide Monomertypen unter gleichen Bedingungen
polymerisiert werden können. In diesen Fällen bedient man sich sogenannter Makro-
initiatoren. Dies sind Makromoleküle, die über eine definierte Endgruppe verfügen
und bereits gereinigt, isoliert, getrocknet und charakterisiert vorliegen, sodass sie als
Initiator bei der Polymerisation des zweiten Monomers für den Block B unter
abgeänderten Reaktionsbedingungen eingesetzt werden können. Wird der erste
Block unter kontrollierten Bedingungen polymerisiert, dann trägt das Makromolekül
bereits eine aktive Endgruppe. Wenn diese Endgruppe so stabil ist, dass sie den Auf-
arbeitungsprozess des Polymers unbeschadet übersteht, dann kann dieses Polymer
als Initiator bei einer neuen Polymerisation eingesetzt werden. Diese Makroinitiator-
Methode ist die am häufigsten verwendete Route zur Synthese von Blockcopoly-
meren.
138,139,140
Die aktive Endgruppe kann jedoch auch durch eine polymeranaloge
Reaktion an ein bereits synthetisiertes Polymer angebunden werden. Somit können
Blockcopolymere gebildet werden, bei denen die einzelnen Blöcke durch
verschiedene Polymerisationstechniken aufgebaut worden sind. Auf diese Weise
Blockcopolymerisation
durch sequentielle
Monomerzugabe Monomer A Block A mit
aktiver
Endgruppe
direkte Zugabe des
Monomers B
Block-
copolymer
Verwendung von
Makroinitiatoren Endgruppen-
modifizierung
Isolierung und
Charakterisierung
des Makroinitiators
Verbindung zweier
Blöcke
Theoretische Grundlagen 46
werden zum Beispiel Blockcopolymere auf Basis von Poly(ethylenglycol) (PEG)
hergestellt.
141,142,143
Dabei werden die endständigen Hydroxygruppen des PEG,
welches durch anionische Polymerisation hergestellt wurde, entweder mit einem
Alkylhalogenid-haltigen oder mit einem Dithioester-haltigen Molekül umgesetzt. Im
Anschluss können dann die modifizierten PEG-Polymere als Initiatoren bei der ATRP
oder bei der RAFT zur Synthese von Blockcopolymeren eingesetzt werden. Bislang
wurden nur endständige ω-Endgruppen betrachtet. Über eine geeignete Wahl des
Initiators kann aber auch die α-ständige Endgruppe kontrolliert werden. Bei Verwen-
dung von sogenannten bifunktionellen Initiatoren ist ebenfalls eine Synthese von
Blockcopolymeren über verschiedene Polymerisationstechniken möglich. So kann
beispielsweise ein Molekül, welches eine α-akzeptorsubstituierte Alkylhalogenid-
Bindung und eine freie Hydroxygruppe enthält, sowohl in der ATRP als auch in einer
Ringöffnungspolymerisation (ROP) als Initiator eingesetzt werden.
144
Auf diese
Weise ist sogar eine simultane Polymerisation beider Blöcke über verschiedene
Polymerisationstechnniken möglich, sofern sich die verwendeten Katalysatorsysteme
nicht gegenseitig behindern.
145
Bei der dritten Strategie werden beide Polymerblöcke separat voneinander syntheti-
siert. Damit können auch bei dieser Methode die Polymerblöcke über verschiedene
Polymeraufbaureaktionen hergestellt werden. Nach der Synthese müssen die beiden
Polymerblöcke jeweils funktionelle Gruppen tragen, die miteinander reagieren
können. Die Verknüpfung der beiden Blöcke verläuft somit über die Reaktion der
beiden aktiven funktionellen Gruppen. Diese Verknüpfungsreaktion muss möglichst
quantitativ verlaufen, um eine aufwendige Abtrennung der Homopolymere von den
Diblockcopolymeren zu vermeiden. Im Hinblick auf die molekulare Größe der Reak-
tanden sowie auf den möglichst hohen Umsatz greift man bei der Verknüpfung der
beiden Blöcke auf effiziente Reaktionen aus der Klick-Chemie (click-chemistry)
zurück.
146
Ein Beispiel für solch eine effiziente Reaktion ist die 1,3-dipolare [3+2]-
Cycloaddition zwischen einem Alkin und einem Azid. Diese Huisgen-Cycloaddition
wurde bereits in zahlreichen Arbeiten zur Synthese von Blockcopolymeren ver-
wendet.
147,148,149
Theoretische Grundlagen 47
2.3.2. Selbstorganisation von Blockcopolymeren in selektiven
Lösungsmitteln
Mit Hilfe der vielfältigen Synthesemethoden für Blockcopolymere gelingt es,
chemisch sehr unterschiedliche Homopolymerblöcke kovalent miteinander zu ver-
knüpfen. Diese chemische Heterogenität stellt jedoch zugleich eine Triebkraft zur
Entmischung der unterschiedlichen Blöcke dar (langreichweitige abstoßende Kräfte).
Da jedoch eine makroskopische Phasenseparation aufgrund der kovalenten
Verknüpfung der Blöcke nicht möglich ist (kurzreichweitige anziehende Kräfte), bilden
sich mikroskopische Dömanen aus, in denen chemisch einheitliche Blöcke
miteinander in Wechselwirkung treten (Abbildung 2.3-2). Solche mikroskopischen
Phasenseparationen können sowohl im reinen Polymer (z. B. Polymerfilmen) als
auch in einer Polymerlösung beobachtet werden.
150
Die geordneten Strukturen, die
bei der mikroskopischen Phasenseparation entstehen, bilden die Grundlage für eine
Vielzahl an Anwendungen auf den Gebieten der Biomaterialien
151
, der Biomedizin
152
,
der Sensorik
153
und Photovoltaik
154
, der Energiespeicherung
155
und der funktionellen
Nanomaterialien
156
.
Abbildung 2.3-2: Selbstorganisation von AB-Diblockcopolymeren
Löst man ein AB-Diblockcopolymer in einem selektiven Lösungsmittel, welches nur
einen der beiden Blöcke gut löst, dann beobachtet man infolge der Mikrophasen-
separation die Bildung von Polymeraggregaten. Im Inneren dieser Aggregate
Block A Block B
Domäne
A
Domäne
B
Theoretische Grundlagen 48
befinden sich diejenigen Blöcke, die nicht gut durch das selektive Lösungsmittel
gelöst werden. Nach Außen hin werden die Aggregate durch die gut löslichen Blöcke
stabilisiert. Die Morphologie solcher Aggregate hängt maßgeblich vom Blocklängen-
verhältnis der Blockcopolymere ab und umfasst sowohl sphärische und zylindrische
Mizellen als auch sphärische Polymermembranen, die sogenannten Vesikel oder
Polymersomes (Abbildung 2.3-3).
Abbildung 2.3-3: Morphologien von Polymeraggregaten in selektiven
Lösungsmitteln: a) sphärische Mizellen, b)
zylindrische Mizellen, c) Vesikel (reprinted from
150
, with
permission of John Wiley and Sons)
z M
1
(M
1
)
z
Abbildung 2.3-4: Gleichgewicht der Mizellbildung nach dem Modell der
geschlossenen Assoziation
Bei Blockcopolymeren erfolgt die Mizellbildung im Allgemeinen nach dem Modell der
geschlossen Assoziation, wobei nur ein Gleichgewicht zwischen den isolierten
Blockcopolymeren (M
1
) und den Aggregaten ((M
1
)
z
) mit der Aggregationszahl z
Block A Block B
Domäne A
Mizellkorona
Domäne B
Mizellkern
Theoretische Grundlagen 49
existiert.
157
Die Charakteristika dieses Modells sind die Ausbildung einer kritischen
Mizellbildungskonzentration (cmc) und eine sehr geringe Polydispersität der Mizellen
in Bezug auf Molekulargewicht und Größe. Die cmc ist dabei definiert als Konzentra-
tion an Blockcopolymeren, bei der die ersten Mizellen gebildet werden. Unterhalb der
cmc liegen die Blockcopolymere als isolierte Moleküle (Unimere) vor. Oberhalb der
cmc besteht das oben beschriebene Gleichgewicht. In bestimmten Konzen-
trationsbereichen können auch höhermolekulare Aggregate (Lamellen, Vesikel,
hexagonale Phasen) gebildet werden.
Für die Mizellbildung von Blockcopolymeren in organischen Lösungsmitteln konnte
gezeigt werden, dass sowohl der Enthalpie- als auch der Entropiebeitrag zumeist
negativ sind. Folglich ist die Mizellbildung in organischen Lösungsmitteln enthalpie-
gesteuert. Der negative Beitrag der Entropie resultiert dabei hauptsächlich aus der
Tatsache, dass die einzelnen Copolymer-Moleküle in der Mizelle weniger gequollen
vorliegen als im isolierten Zustand. Zudem ergibt sich durch die Fixierung der
Blockcopolymere in der Schicht zwischen Kern und Korona eine Einschränkung der
möglichen Kettenkonformationen. Der Enthalpiebeitrag basiert auf dem Ersetzen der
Wechselwirkungen zwischen Polymer und Lösungsmittel durch Wechselwirkungen
zwischen den Polymerketten untereinander und zwischen den Lösungsmittel-
molekülen untereinander. Daraus lässt sich ableiten, dass die Bildung des
Mizellkerns den Hauptbestandteil der Enthalpieänderung ausmacht.
Die Mizellierung der Blockcopolymere in wässrigem Medium hingegen verläuft,
analog zu den niedermolekularen Tensiden, entropie-gesteuert. Als Ursache hierfür
gilt das Aufbrechen von sehr geordneten Wasserstrukturen um den hydrophoben
Block bei der Mizellbildung (hydrophober Effekt). Diese positive Entropieänderung
kompensiert bei weitem sämtliche besprochenen negativen Entropiebeiträge in
Bezug auf die Polymerkette.
Eine der nützlichsten Eigenschaften von Mizellen ist die Verbesserung der Löslichkeit
einer hydrophoben (meistens niedermolekularen) Substanz in wässrigem Medium.
Der Grund hierfür ist die Entstehung von Mikrophasen, die durch die Mizellkerne
gebildet werden. In dieser hydrophoben Mikroumgebung werden die wasserun-
löslichen Stoffe solubilisiert.
Theoretische Grundlagen 50
Eine Theorie zur Beschreibung der Solubilisierung einer niedermolekularen Substanz
in den Kernen sphärischer Mizellen erfolgte durch Nagarajian und Ganesh
158
. Sie
berechneten die cmc, die Dimension und die Aggregationszahl der Mizellen ein-
schließlich der solubilisierten Substanz. Zudem konnten sie den Kernradius und die
Dimension der Korona für den Fall der Solubilisierung berechnen. Es zeigte sich
dabei, dass die Mizellen in ihrer Größe weitgehend monodispers bleiben, sodass sich
die gelöste hydrophobe Substanz gleichmäßig auf alle Kerne verteilt. Als wichtige
Parameter, die den Prozess der Solubilisierung und die Mizellgeometrie beein-
flussen, wurden die thermodynamischen Wechselwirkungen zwischen dem Block im
Mizellkern und der niedermolekularen Substanz sowie auch die Grenzflächen-
spannung zwischen dem Lösungsmittel und der niedermolekularen Substanz
beschrieben. Das Solubilisierungvermögen und die Kinetik der Solubilisierung
wurden mit Hilfe von Fluoreszenzmessungen für verschiedene Blockcopolymer-
Mizellen untersucht.
159,160,161
Die Modellierung der Mizellbildung hat das Ziel, die strukturellen Parameter der
Blockcopolymer-Mizellen aus den Charakteristika der Blockcopolymeren zu berech-
nen. Insgesamt lassen sich drei Arten der Modelle unterscheiden: Skalenfunktionen
(scaling laws), die Methode des Mittleren Potenzialfelds (mean field theories) und
Computersimulationen (Monte-Carlo-Simulationen). Eine detaillierte Einführung in
das Gebiet der Modellierung von Blockcopolymer-Mizellen in selektiven
Lösungsmitteln erfolgte durch P. Linse.
162
Neben der bereits erwähnten Fluoreszenzspektroskopie zur Untersuchung des
Aggregationsgleichgewichts, der Kettendynamik in den Polymermizellen und des
Solubilierungsverhaltens eignet sich die Transmissionselektronenmikroskopie zur
Untersuchung der Morphologie und Größe der Polymeraggregate.
163-166
Mit Hilfe der
statischen und dynamischen Lichtstreuung lassen sich Aussagen über die
Dimension, das mittlere Molekulargewicht und die Aggregationszahl sowie die
Morphologie der Polymeraggregate treffen.
167,168,169
2.3.3. Temperatursensitive AB-Diblockcopolymere in wässrigen
Systemen
Der Einbau von sensitiven Blöcken in Blockcopolymere bietet nun die Möglichkeit,
die Selbstorganisation dieser Blockcopolymere durch Veränderung der Umgebungs-
Theoretische Grundlagen 51
bedingungen zu beeinflussen. Sowohl die strukturelle Vielfalt der Blockcopolymere
als auch die Vielfalt an stimuli-sensitiven Polymeren eröffnet ein komplexes For-
schungsfeld mit zahlreichen Anwendungsgebieten. So sind neben den linearen
sensitiven Blockcopolymeren auch sensitive graft-Copolymere
170
, sensitive Stern-
blockcopolymere
171
und sensitive dendritische Copolymere
172,173
zugänglich. Um das
Aggregationsverhalten zu beeinflussen, bedient man sich meisten Änderungen der
Temperatur oder des pH-Werts der Lösung.
174
In der Literatur finden sich jedoch
auch Beispiele, in denen Redox-Reaktionen
175
, Licht
176
, Magnetfelder
177
sowie
molekulare Erkennung
178
oder Biomoleküle
179
verwendet werden, um das Aggrega-
tionsverhalten von Blockcopolymeren zu induzieren oder Aggregate aufzulösen. Der
Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit liegt auf der Synthese von linearen temperatur-
sensitiven Blockcopolymeren, auf die nun im weiteren Verlauf dieses Abschnitts
näher eingegangen wird.
Temperatur-sensitive Blockcopolymere zeigen im Bereich der kritischen Phasenüber-
gangstemperatur des sensitiven Blocks eine drastische Änderung in ihrem Aggrega-
tionsverhalten. Für den temperatur-sensitiven Block wird meistens ein Polymer mit
LCST-Verhalten (z. B. PNIPAAm) verwendet. Die gebildeten Aggregate zeigen eine
typische Kern-Schale-Struktur und können in zwei Gruppen eingeteilt werden. Die
erste Gruppe umfasst Aggregate, bei denen die Schale (Korona) durch den
sensitiven Block gebildet wird (Abbildung 2.3-5a). Bei dem zweiten Block handelt es
sich um ein hydrophobes Polymer mit einer hohen Glasübergangstemperatur (T
g
).
Unterhalb der kritischen Übergangstemperatur (T
cr
) liegen in wässrigen Systemen
Aggregate vor, die nach außen hin durch den temperatur-sensitiven Block stabilisiert
werden. Oberhalb von T
cr
wird das ganze Blockcopolymer wasserunlöslich und es
findet eine makroskopische Phasenseparation statt. Die Forschungsgruppe um
Teruo Okano synthetisierte Blockcopolymere aus Poly(n-butylacrylat) (PnBA) und
PNIPAAm.
180
Diese PNIPAAm-b-PnBA Blockcopolymere bildeten bei Raumtempera-
tur Mizellen, deren hydrophober Kern mit dem Antitumor-Wirkstoff Adriamycin
beladen werden konnte. Oberhalb von T
cr
wurden strukturelle Änderungen der
Mizellen beobachtet. Dabei veränderten sich die hydrophoben Wechselwirkungen
derart, dass der eingeschlossene Wirkstoff freigesetzt wurde. Um den Phasenüber-
gang schärfer zu gestalten und bioabbaubare Mizellen zu erhalten, wurde später der
hydrophobe PnBA-Block durch einen Poly(lactid)-Block (PLA) ersetzt.
181
Des
Weiteren konnte die Übergangstemperatur des PNIPAAm Blocks durch Copoly-
Theoretische Grundlagen 52
merisation mit dem hydrophilen N,N-Dimethylacrylamid (DMAAm) auf 39,5 °C erhöht
werden.
Abbildung 2.3-5: Aggregation/Deaggregation von temperatur-sensitiven
Blockcopolymeren
Bei der zweiten Gruppe von Aggregaten bildet der temperatur-sensitive Block den
Kern der Mizellen (Abbildung 2.3-5b). Die Korona besteht dabei aus einem
permanent hydrophilen Block. Unterhalb von T
cr
sind beide Blöcke wasserlöslich.
Man spricht deshalb auch von doppelt hydrophilen (double hydrophilic) Blockcopoly-
meren. Oberhalb von T
cr
wird der temperatur-sensitive Block wasserunlöslich und es
bildet sich ein amphiphiles Molekül, welches dann durch Selbstorganisation idealer-
weise mizellare Aggregate bildet. Dieses Gleichgewicht zwischen dem einzelnen
Blockcopolymer-Molekül (Unimer) und dem Aggregat ist wesentlich dynamischer als
bei der ersten Gruppe.
182
Somit können einzelne Blockcopolymer-Moleküle besser
zwischen den Aggregaten ausgetauscht werden. Damit ist es auch wahrscheinlicher,
dass die unterschiedlichen Bedingungen gebildeten Strukturen der Aggregate nach
relativ kurzer Zeit bereits im thermodynamischen Gleichgewicht stehen. Blockcopoly-
mere aus Poly(ethylenglycol) (PEG) und PNIPAAm sind anschauliche Beispiele für
solche doppelt hydrophilen Blockcopolymere. Oberhalb der kritischen Übergangs-
temperatur
bilden die PEG-b-PNIPAAm Blockcopolymere, die im Kern PNIPAAm
hydrophiler
Block
temperatur-
sensitiver
Block (LCST)
T > T
cr
T < T
cr
hydrophober
Block
temperatur-
sensitiver
Block (LCST)
T > T
cr
T < T
cr
a)
b)
Theoretische Grundlagen 53
enthalten und nach außen hin durch die hydrophilen PEG-Blöcke stabilisiert werden.
Es konnte gezeigt werden, dass die Größe der gebildeten Aggregate sowohl von der
Länge des PNIPAAm-Blocks als auch von der Konzentration der Blockcopolymere
und der Ionenstärke abhängt.
183
Zudem hat die Heizrate einen maßgeblichen Ein-
fluss auf die Größe der Aggregate. Während ein langsames Aufheizen zu großen
Aggregaten führte, wurden bei sehr schnellem Aufheizen kleinere Aggregate mit 60
bis 70 nm Durchmesser erhalten.
Ein aktueller Forschungsschwerpunkt liegt bei multi-sensitiven Polymeren, die auf
mehr als einen Stimulus reagieren können.
184
So zeigen beispielsweise Blockcopoly-
mere aus Poly(4-vinylpyridin) (P4VP) und PNIPAAm sowohl ein temperatur- als auch
ein pH-abhängiges Aggregationsverhalten.
185
Bei einem pH-Wert von 2,8 und einer
Temperatur von 50 °C liegen sphärische Mizellen vor, deren Kern durch die
PNIPAAm-Blöcke gebildet wird. Im Gegensatz dazu liegen bei einem pH-Wert von
6,5 und einer Temperatur von 25 °C ebenfalls sphärische Mizellen vor, deren Kern
aber nun von den P4VP-Blöcken gebildet wird. In Abhängigkeit von verschiedenen
Stimuli werden von ein und demselben Blockcopolymer in Lösung verschiedene
Aggregate gebildet. Ein solches „schizophrenes“ Aggregationsverhalten wurde
beispielsweise auch für Blockcopolymere aus Poly(N,N-diethylaminoethylmeth-
acrylat) und PNIPAAm beschrieben.
186
Aggregate aus temperatur-sensitiven Blockcopolymeren finden vor allem Anwendung
als Nanoreaktoren
187
, als Nanocontainer beim Transport und bei der gezielten
Freisetzung von Wirkstoffen (controlled drug delivery)
188
, bei der Immobilisierung von
Enzymen
189
, bei der Synthese von Nanogelen
190
und bei der Stabilisierung von
Nanopartikeln
191
.
2.4. Organokatalyse durch Pyrrolidin-Derivate
Der Einsatz von niedermolekularen metallfreien organischen Molekülen in der
Katalyse von organischen Reaktionen ist bereits seit über einem Jahrhundert
bekannt. Dabei spielen neben Brønsted-Säuren vor allem sekundäre Amine eine
zentrale Rolle. Eine Beschreibung des Katalysezyklus über Immonium- und Enamin-
Zwischenstufen erfolgte bereits durch K. J. Pedersen und F. H. Westheimer in den
1940er Jahren bei der Decarboxylierung von β-Ketosäuren und bei der Retro-Aldol-
Theoretische Grundlagen 54
Reaktion von Diaceton-Aldol.
192,193
Die Hajos-Wiechert-Reaktion, eine enantio-
selektive intramolekulare Aldolreaktion unter
L
-Prolin-Katalyse, zählt zu den ersten
Beispielen einer asymmetrischen Organokatalyse und wurde 1971 zum Patent
angemeldet. Eine erste Beschreibung des Übergangszustandes erfolgte 1974 durch
Hajos und Parrish.
194
Trotz industrieller Anwendung der asymmetrischen Organo-
katalyse dauerte es bis zur Jahrtausendwende ehe das verbesserte Verständnis für
den Reaktionsmechanismus das schier unerschöpfliche Potenzial dieser Art von
Synthese enthüllte.
22
Zwischen 1998 und 2008 wurden ca. 1500 Manuskripte ver-
öffentlicht, in denen das Prinzip der Organokatalyse auf über 130 verschiedene
Reaktionstypen angewendet wurde.
23
Heutzutage bildet die Organokatalyse einen
wichtigen Zweig in der asymmetrischen Synthese und schließt damit die Lücke
zwischen der Enzym- und der Übergangsmetallkatalyse.
N
HR
H
R'
NR
R'
O
H
2
O
H
R'
NRH
2
O
H
3
O
Elec H
3
O
+
H
2
O
R'
NR
Elec
R'
O
Elec
H
H
2
O
*
Abbildung 2.4-1: Mechanismus der Pyrrolidin-katalysierten α-
Funktionalisierung von Aldehyden
25
Die Attraktivität der Organokatalyse resultiert aus der Möglichkeit, hoch stereoselek-
tive Transformationen an strukturell vielfältigen Ausgangsmaterialien vornehmen zu
können.
25
Die Organokatalysatoren, die in zunehmendem Maße auch kommerziell
erhältlich sind, zeigen eine hohe Lagerstabilität, erlauben eine einfache Handhabung
und können auch zumeist ohne Anwendung von Inertgas eingesetzt werden.
Theoretische Grundlagen 55
Einziger Nachteil ist jedoch die oft hohe benötigte Katalysatorkonzentration, um
möglichst hohe Umsätze zu erzielen.
Obwohl die Organokatalyse eine breite Anwendung in vielen verschiedenen Reak-
tionen findet, sind nur einige konkrete Aktivierungsmechanismen und Katalysezyklen
in ihren mechanistischen Details bekannt. Ein Beispiel hierfür ist die α-Funktionali-
sierung von Carbonylverbindungen mit Organokatalysatoren auf Basis von
Pyrrolidinen (Abbildung 2.4-1). Dazu zählen Beispielsweise auch Derivate des
L
-
Prolins. Der Katalysezyklus beginnt mit der säurekatalysierten Reaktion einer
Carbonylverbindung und dem Pyrrolidin-Derivat als sekundäres Amin unter Bildung
eines Immoniumions. Dieses Immoniumion steht im tautomeren Gleichgewicht mit
dem entsprechenden Enamin. Dieses Enamin fungiert nun als Nukleophil, sodass ein
geeignetes Elektrophil in α-Position zur ehemaligen Carbonylgruppe eingeführt
werden kann. Besaß die Carbonylverbindung zuvor bereits mindestens einen von
Wasserstoff verschiedenen Substituenten in α-Position, so ist das entstehende
Enamin prochiral und die Verknüpfung mit dem Elektrophil führt zu einem neuen
Stereozentrum. Der Katalysezyklus endet mit der säurekatalysierten Hydrolyse des
Immoniumions unter Rückgewinnung des Katalysators und der Bildung der α-
funktionalisierten Carbonylverbindung.
Zur Untersuchung der Enantioselektivität beim Angriff des Elektrophils auf das
prochirale Enamin wurden zahlreiche Übergangszustände berechnet und die daraus
resultierenden Produkte mit den Daten aus den Experimenten verglichen.
195
Es zeigt
sich dabei, dass das s-trans-trans-Enamin das stabilste Konformer ist und somit im
Übergangszustand eine entscheidende Rolle spielt. Neben der trans-konfigurierten
Doppelbindung zeichnet sich das s-trans-trans-Enamin dadurch aus, dass die Vinyl-
gruppe und das Stereozentrum im Pyrrolidin trans entlang der Bindung zwischen
dem ehemaligen Carbonylkohlenstoffatom und dem Stickstoffatom stehen. Die
Stereoinduktion beim Angriff des Elektrophils auf das prochirale Enamin kann nun
durch Wasserstoffbrücken oder durch sterische Abschirmung erfolgen.
Bei der Stereoinduktion durch Wasserstoffbrücken wird das Elektrophil von dem
enantiotopen Halbraum an das prochirale Enamin herangeführt, in dem die Aus-
bildung von Wasserstoffbrücken möglich ist. Zudem muss das Elektrophil dabei über
Heteroatome verfügen, die als Elektronenpaar-Donor fungieren können. Bei der
sterischen Abschirmung wird einer der beiden enantiotopen Halbräume durch eine
Theoretische Grundlagen 56
sperrige Gruppe blockiert, sodass das Elektrophil aus dem anderen Halbraum
angreifen muss. Trotz der gleichen absoluten Konfiguration am Stereozentrum des
Pyrrolidins führen die beiden Prinzipien der Stereoinduktion zu verschiedenen
enantiomeren Carbonylverbindungen.
R'
NR
Het
H
Y
X
O
X
YH
R'
NR
Y
X
O
X
YH
Angriff von
oben
(re-Seite)
Angriff von
unten
(si-Seite)
Stereoinduktion durch
Wasserstoffbrücken Stereoinduktion durch
sterische Abschirmung
Abbildung 2.4-2: Stereoinduktion bei der Pyrrolidin-katalysierten α-
Funktionalisierung von Carbonylverbindung
25
Computersimulationen haben ebenfalls ergeben, dass die Prolin-katalysierten Aldol-
reaktionen über sechsgliedrige Übergangszustände verlaufen, bei denen die Stereo-
induktion durch Wasserstoffbrücken eine zentrale Rolle spielt (Abbildung 2.4-3).
195
Dieser Übergangszustand ähnelt stark dem Zimmermann-Traxler-Modell zur
Beschreibung der einfachen Diastereoselektivität und Stereospezifität bei Aldolreak-
tionen zwischen Enolaten und Carbonylverbindungen.
NHO
OOR'
H
R
Abbildung 2.4-3: Übergangszustand einer
L
-Prolin-katalysierten
Aldolreaktion
22
Theoretische Grundlagen 57
Handelt es sich bei dem Elektrophil um eine prochirale Carbonylverbindung, dann
sollte man auch bei der
L
-Prolin-katalysierten Aldolreaktion neben der Enantio-
selektivität auch eine einfache Diastereoselektivität beobachten können. Das Aus-
maß der Diastereoselektivität hängt zunächst von der einheitlichen Konfiguration der
Enamin-Doppelbindung ab. Außerdem spielt die Orientierung des Elektrophils eine
entscheidende Rolle für die Diastereoselektivität. Das Ausmaß der Enantioselektivität
beruht hingegen auf der einheitlichen absoluten Konfiguration des Prolins sowie auch
auf der einheitlichen s-trans-Konformation des Enamins.
Neben der α-Funktionalisierung können auch β- und γ-Funktionalisierungen von α,β-
ungesättigten Carbonylverbindungen mit Aminen als Organokatalysatoren durchge-
führt werden. Herausragende Vertreter dieser Stoffklasse sind wiederum Derivate
des
L
-Prolins. Diese werden nicht nur bei Aldolreaktionen
196
sondern auch bei
Mannich-Reaktionen
197
, Knoevenagel-Reaktionen
198
sowie bei Anomerisierungen
199
verwendet. Die Effizienz der Organokatalyse über Amine als Katalysatoren wird
dadurch deutlich, dass mehrere Funktionalisierungen in einer Eintopfsynthese
entweder als Tandem- oder Domino-Reaktion durchgeführt und somit mehrere
Stereozentren in einem Syntheseschritt aufgebaut werden können.
24
2.5. Polymere Träger für Katalysatoren
Der Einsatz von Polymeren als Trägersubstanzen für Katalysatoren in der homo-
genen, mikroheterogenen und heterogenen Katalyse ist ein sehr umfangreiches
Forschungsfeld. Die wesentlichen Vorteile beim Einsatz von polymeren Trägern für
Reaktanten oder für Katalysatoren liegen in der einfacheren Abtrennung des Kataly-
sators und dessen möglicher Wiederverwertung. Außerdem kann man durch
Immobilisierung auf polymeren Trägern die Löslichkeitseigenschaften des Katalysa-
tors beeinflussen, sodass sich die Auswahl an möglichen Lösungsmitteln für die zu
katalysierende Reaktion dadurch erweitern lässt. Für einen umfassenden Überblick
über den Einsatz von polymeren Trägermaterialien in der Katalyse sei deshalb auf
die angeführten Übersichtsartikel im Abschnitt 1.1 verwiesen. In den folgenden
Abschnitten werden zwei zentrale Aspekte der vorliegenden Dissertation aufgegriffen
und mit aktuellen Literaturbeispielen hinterlegt: der Einsatz von temperatursensitiven
Polymerträgern vor allem in der mikroheterogenen Katalyse und die Immobilisierung
von
L
-Prolin auf polymeren Trägern.
Theoretische Grundlagen 58
2.5.1. Temperatursensitive Polymere für die mizellare Katalyse
Stimuli-sensitive Polymere können beispielsweise ihr Löslichkeitsverhalten als Ant-
wort auf einen Reiz (Variation der Umgebungsbedingungen) schlagartig ändern
(Abschnitt 2.1). Beim Einsatz von stimuli-sensitiven Polymeren als Träger für Kataly-
satoren lässt sich dieses Verhalten ausnutzen, um die Aktivität des Katalysators zu
beeinflussen und die Abtrennbarkeit bzw. Wiederverwertbarkeit des Katalysators zu
verbessern. Bergbreiter et al. verwendeten Copolymere auf Basis von PNIPAAm um
Triphenylphosphin-Komplexe von Palladium und Rhodium zu immobilisieren.
200
Diese Komplexe wurden dann für Hydrierungs- und C-C-Kupplungsreaktionen
verwendet. Oberhalb der kritischen Phasenübergangstemperatur fiel der Katalysator
aus und die Reaktion stoppte. Wurde die Temperatur wieder abgesenkt, dann lief die
Reaktion weiter. Eine Synthese von wiederverwertbaren Rh-Katalysatoren für die
Hydrierung von Methylmethacrylat durch Immobilisierung in einem PNIPAAm-
Copolymer wurde von Shaw et al. beschrieben.
201
Eine Immobilisierung des Katalysators in einem statistischen PNIPAAm-Copolymer
setzt voraus, dass man die zu katalysierende Reaktion in wässrigem Medium durch-
führen muss, um das LCST-Verhalten von PNIPAAm (Abschnitt 2.1.1) ausnutzen zu
können. Viele Substrate in der organischen Chemie zeigen jedoch lipophile Eigen-
schaften. Um solche hydrophoben Moleküle in wässrigen Systemen handhaben zu
können, muss man kleine hydrophobe Mikro- bzw. Nanodomänen schaffen, die nach
außen hin gegenüber der wässrigen Phase stabilisiert sind. Dies gelingt durch den
Einsatz von amphiphilen Makromolekülen als Emulgatoren.
Ein amphiphiles Molekül,
von nieder- oder hochmolekularer Natur, bildet in einem selektiven Lösungsmittel
mizellare Aggregate (Abschnitt 2.3.2). Handelt es sich bei dem Lösungsmittel um
Wasser, so bildet der hydrophobe Teil der Moleküle den Kern der Mizelle, während
der hydrophile Teil die Korona formt, sodass nach außen hin Wasserlöslichkeit der
Mizelle garantiert ist. Die Katalyse basiert auf der Fähigkeit der Mizellen, hydrophobe
Substanzen im Mizellkern zu lösen, sodass sie im wässrigen Medium als Reaktoren
im Nanometer-Maßstab fungieren.
202
Der Begriff „hydrophobe Substanz“ umfasst
dabei nicht nur Edukte und Produkte der Reaktion, sondern auch den Katalysator.
Dieser kann entweder kovalent am hydrophoben Teil des amphiphilen Moleküls
gebunden sein oder im Mizellkern solubilisiert vorliegen. In beiden Fällen existiert
eine räumliche Nähe zwischen Reaktant und Katalysator, sodass Transportprozesse
keine nennenswerte Rolle spielen. Zudem ist die Konzentration an Reaktant und
Theoretische Grundlagen 59
Katalysator in der Mizelle infolge des relativ geringen Volumens der Mikrophase sehr
hoch. Aus diesem Grund beobachtet man oft eine deutliche Steigerung der
Reaktionsgeschwindigkeit bei einer mizellaren Katalyse im Vergleich zum ein-
phasigen System.
Der Einsatz von stimuli-sensitiven Polymeren mit blockartiger Struktur eröffnet eine
Möglichkeit, die Bildung der Mizellen als Nanoreaktoren durch Kontrolle der
Umgebungsbedingungen zu steuern (Abschnitt 2.3.3) und damit einen Einfluss auf
die katalytische Wirksamkeit des Systems nehmen zu können. Abbildung 2.5-1 zeigt
das Prinzip der mizellaren Katalyse unter Verwendung von temperatursensitiven AB-
Diblockcopolymeren mit LCST-Verhalten. Unterhalb einer kritischen Temperatur sind
beide Blöcke des Amphiphils wasserlöslich. Es liegt eine makroskopische Phasen-
separation vor, da das hydrophobe Edukt nicht solubilisiert werden kann. Durch
Temperaturerhöhung erreicht man die kritische Temperatur, ab welcher der
temperatursensitive Block wasserunlöslich wird, sodass das Amphiphil mizellare
Aggregate bildet. Es bilden sich Mikrophasen, in denen das Edukt und der
Katalysator räumlich konzentriert vorliegen, sodass eine Reaktion stattfinden kann.
Nach der Reaktion werden die Mizellen durch Absenken der Temperatur wieder
aufgelöst, sodass erneut eine makroskopische Phasenseparation auftritt, die das
Abtrennen der Edukte und Produkte erleichtert.
Der Einsatz von temperatursensitiven Polymeren in der mizellaren Katalyse wurde
bereits von der Forschungsgruppe um Shiro Ikegami beschrieben.
203
In einem
Terpolymer auf Basis von PNIPAAm wurde ein Farbstoff (Disperse Red) und ein
Katalysator basierend auf 12-Wolframatophosphorsäure (phosphotungstic acid) ein-
gebaut. Dieses Terpolymer bildete bei Temperaturen oberhalb von 90 °C eine
Emulsion. In der diskontinuierlichen Phase konnten Oxidationsreaktionen in Gegen-
wart des Katalysators erfolgreich durchgeführt werden. Der einzige Unterschied zu
dem in Abbildung 2.5-1 beschriebenen Mechaninsmus ist die Tatsache, dass der
Katalysator bei niedrigen Temperaturen unlöslich in Wasser ist und ausfällt. Somit
bildet sich bei niedrigen Temperaturen ein ternäres Phasensystem aus, in dem
neben der organischen und wässrigen Phase auch eine feste Phase bestehend aus
Terpolymer und Katalysator vorliegt. Auf diese Weise konnte der immobilisierte
Katalysator abgetrennt und erfolgreich wiederverwendet werden.
Theoretische Grundlagen 60
Abbildung 2.5-1: Prinzip der mizellaren Katalyse unter Verwendung von
temperatursensitiven AB-Diblockcopolymeren
Neben der emulgierenden Wirkung zeigen die Aggregate der sensitiven Polymere
auch eine dispergierende Wirkung. Auf diese Weise können beispielsweise kataly-
tisch aktive Nanopartikel aus verschiedenen Metallen in wässriger Lösung stabilisiert
werden. In diesem Fall spricht man auch von Metallomizellen (metallomicelles).
Wang et al. konnten Blockcopolymere aus Poly(4-vinylpyridin) und PNIPAAm dazu
verwenden, um Goldnanopartikel durch Einschluss in die gebildeten Mizellen zu
stabilisieren.
204
Diese Nanopartikel wurden dann als Katalysator in einer Reduktions-
reaktion verwendet. Die Aktivität des Katalysators ließ sich dabei durch die Tempera-
tur steuern. Bei Temperaturen unterhalb der LCST von PNIPAAm liegen die
PNIPAAm-Blöcke in einem gequollenen Zustand vor, sodass die Diffusion der Edukte
in die Mizellen gewährleistet ist. Oberhalb der LCST kollabieren die PNIPAAm-
Blöcke, sodass der Zugang zu den Goldnanopartikeln gehindert ist, und damit keine
Umsatzänderung beobachtet wird.
Der Einschluss (Immobilisierung) von Biokatalysatoren (Enzymen) in mizellare
Aggregate aus sensitiven Polymeren ist ebenfalls bekannt. Chen et al. konnten eine
Lipase in inversen Mizellen aus Copolymeren basierend auf Poly(acrylsäure) und
PNIPAAm immobilisieren.
205
Auf diese Weise gelang es, eine enzymkatalyisierte
Reaktion in organischen Medien durchzuführen. Zudem fiel die Enzymlösung bei
Temperatursensitives
Blockcopolymer (LCST)
hydrophiler Blocksensitiver Block
Katalysator
E E
EE
E E E
P
P
P
E
E
E
EP
P
PP
P
P
∆T
E
P
Edukt
Produkt
T < T
crit
T > T
crit
T < T
crit
∆T
Edukt
(organische Phase)
Katalysator
(wässrige Phase)
Produkt
(organische Phase)
Katalysator
(wässrige Phase)
Edukt
Katalysator
Produkt
(Emulsion)
Theoretische Grundlagen 61
Temperaturen leicht oberhalb der LCST des Copolymers aus, woraufhin die Reaktion
aussetzte. Die Wiedergewinnungsrate des Enzyms lag immerhin noch bei 75 %.
Die bislang betrachteten Beispiele beziehen sich auf den Einsatz von linearen
sensitiven Polymeren zur Immobilisierung von Katalysatoren. Stabilisierte vernetzte
Systeme (Mikro- bzw. Nanogele) spielen ebenfalls eine sehr wichtige Rolle bei der
Konzeption von smarten Nanoreaktoren.
206,207
2.5.2. Immobilisierung von
L
-Prolin auf polymeren Trägern
Die Immobilisierung von Übergangsmetallkatalysatoren
208
und Enzymen
209,210
auf
organischen und anorganischen Trägermaterialien ist ein wichtiges und bereits seit
langer Zeit aktuelles Forschungsfeld. Hauptsächliche Triebkraft dafür sind die hohen
Preise für Übergangsmetallkatalysatoren und Enzyme, die eine Rückgewinnung und
Wiederverwertung dieser Katalysatoren attraktiv werden lassen. Zudem lässt sich
durch Immobilisierung die Stabilität der Katalysatoren in vielen Fällen verbessern.
Prolin hingegen ist in beiden enantiomeren Formen relativ kostengünstig erhältlich
und unempfindlich. Dahingehend scheint eine Immobilisierung zunächst wenig sinn-
voll. Angesichts der hohen Katalysatorkonzentrationen von bis zu 30 mol%, die man
bei der Organokatalyse benötigt, würde sich eine Rückgewinnung und Wiederver-
wertung des Katalysators jedoch lohnen. Zudem kann man durch die Immobilisierung
des Prolins auch einen Einfluss auf das Löslichkeitsverhalten und die
Katalysatoraktivität nehmen.
Die erste Beschreibung eines polymeren Trägermaterials mit
L
-Prolin-Einheiten
erfolgte durch eine japanische Forschergruppe im Jahr 1985.
211
In einer polymer-
analogen Reaktion konnten sie trans-4-Hydroxy-
L
-prolin durch einfache nukleophile
Substitution an ein Merrifield-Harz binden. Doch die erzielten Selektivitäten bei der
Robinson-Cyclisierung waren schlecht (<40 % ee). Erst mit Beginn der Blütezeit der
Organokatalyse um das Jahr 2000 wurde auch die Forschung auf dem Gebiet der
Immoblisierung von Prolin auf polymeren Trägern vorangetrieben. Ein Beispiel dafür
sind die Arbeiten der spanischen Forschungsgruppe um Pericàs.
212
Sie nutzten die
„Click“-Chemie, um in einer (2+3)-Cycloaddition nach Huisgen das
L
-Prolin an ein
Merrifield-Harz zu binden. Der so immobilisierte Organokatalysator zeigte trotz langer
Theoretische Grundlagen 62
Reaktionszeiten eine sehr hohe Diastereo- und Enantioselektivität bei der
asymmetrischen Aldolreaktion von Ketonen mit substituierten Benzaldehyden.
Parallel zu der Immobilisierung auf unlöslichen Polymerharzen wurden auch Arbeiten
publiziert, die sich mit der Anbindung von Prolin an lösliche Polymerträger
beschäftigten. So konnten beispielsweise Forscher aus Mailand in einer polymer-
analogen Reaktion
L
-Prolin an der Endgruppe eines PEG-Derivats fixieren.
213
Diese
Katalysatoren zeigten bei einer asymmetrischen Aldolreaktion mittlere Enantiomeren-
überschüsse zwischen 60 und 98 % ee. Die Verwendung von linearen Polymer-
trägern für Prolin birgt jedoch wesentliche Nachteile. Zunächst sind die erzielten
Katalysatorbeladungen mit durchschnittlich 0,2 mmol Katalysator pro Gramm
Polymer relativ gering im Vergleich zu den Polymerharzen. Zudem muss der
immobilsierte Katalysator nach der Reaktion durch Fällungsreaktionen oder
Filtrationstechniken aufwendig entfernt werden.
Bei den bislang diskutierten Beispielen wurde das Prolin durch eine polymeranaloge
Reaktion an das Trägermaterial gebunden. Dies ist historisch betrachtet der erste
und einfachere Ansatz, da man keine tiefgehenden Kenntnisse über Makromole-
kulare Chemie benötigt, um den Katalysator zu immobilisieren. Die wesentlichen
Nachteile liegen jedoch in der schwer einzustellenden Katalysatorbeladung sowie in
dem hohen präparativen Aufwand zur Anbindung des Prolins. Zunächst müssen in
der Regel sowohl die Amino- als auch die Carboxylgruppe geschützt und eine
passende Funktionalität zur Anbindung an den Polymerträger eingeführt werden.
Nach der Anbindung müssen dann noch die Schutzgruppen vollständig entfernt
werden.
Als eine Alternative zur polymeranalogen Anbindung des Organokatalysators wurden
deshalb Methoden entwickelt, bei denen das Prolin bereits während des Polymerisa-
tionsprozesses in den polymeren Träger eingebaut wird. Als Ausgangsmaterial dient
in den meisten Fällen das trans-4-Hydroxy-
L
-prolin. Eine Methode zur selektiven
Acylierung des Sauerstoffatoms in Methansulfonsäure als Lösungsmittel wurde von
Kawasaki et al. vorgestellt.
214
Nachteil dieses Verfahrens ist jedoch, dass die ent-
stehenden O-Acyl-Derivate des 4-Hydroxyprolins als öliges Salz der Methansulfon-
säure anfallen. Tor E. Kristensen und Tore Hansen griffen diese Methode auf und
variierten sie so, dass Säurechloride zur Acylierung verwendet werden, wobei
Trifluoressigsäure mit einer kleinen Menge an Methansulfonsäure als Lösungsmittel
Theoretische Grundlagen 63
dient.
215
Das acylierte 4-Hydrox-
L
-prolin fällt bei Zugabe von Diethylether als festes
Hydrochlorid aus. Bei Umsetzung mit (Meth)acrylsäurechloriden erhält man auf diese
Weise polymerisationsfähige Derivate des
L
-Prolins im Gramm-Maßstab. Durch
anschließende freie radikalische Polymerisation konnten sowohl lineare Homo- und
Copolymere sowie vernetzte Partikel mit
L
-Prolin-Funktionalitäten hergestellt und in
asymmetrischen Aldolreaktionen mit guten Ausbeuten und Selektivitäten eingesetzt
werden.
Eine Übersicht über die Immobilisierung von Prolin auf anorganischen Trägern, in
ionischen Flüssigkeiten, auf Biopolymeren und Dendrimeren wurde von Gruttadauria
et al. beschrieben.
216
In einem Übersichtsartikel schreiben Kristensen und Hansen in
Bezug auf ihre synthetisierten polymerisationsfähigen Derivate des
L
-Prolins: „It
would be very interesting to see in the future whether more refined techniques for
radical polymerization, such as atom transfer radical polymerization (ATRP) or
reversible addition fragmentation transfer (RAFT) polymerization, will be used by
researchers to prepare new polymeric architectures for organocatalytic systems that
may show new and exciting reactivities and selectivities”.
217
Die vorliegende
Dissertation kann als ein erster Schritt in diese Richtung verstanden werden.
Experimenteller Teil 64
3. E
XPERIMENTELLER
T
EIL
3.1. Chemikalien
3.1.1. Lösungsmittel
Tabelle 3.1-1: verwendete Lösungsmittel und deren Hersteller
Lösungsmittel Reinheit Hersteller Bemerkung
Aceton 99,5 % p.a. Grüssing
Chloroform 99 % p.a. Grüssing gelagert über 4 Å Molekularsieb
Dichlormethan techn. Stockmeier
Dichlormethan 99,5 % p.a. Grüssing gelagert über 4 Å Molekularsieb
Diethylether techn. Hanke+Seidel
Dimethylsulfoxid 99,5 % p.a. Grüssing
Diphenylether (ATRP) 99 % Acros destilliert unter Feinvakuum,
gelagert unter Argon 5.0
Ethanol techn. Berkel AHK
Ethylacetat 99,5 % p.a. Grüssing
Isopropanol (ATRP) 99,5%, extra
dry (water < 50
ppm) Acros Lagerung unter Argon 5.0
Methanol techn. Stockmeier
n-Hexan techn. DHC Solvent
Chemie
tert-Butanol 99,5 % extra
pure Acros
Tetrahydrofuran techn. BASF
Toluol 99,5 % p.a. Grüssing
Wasser (ATRP) Optima, For
Ultra Low Trace
Metal Analysis
Fisher
Scientific
Tabelle 3.1-2: verwendete deuterierte Lösungsmittel
Lösungsmittel Reinheit Hersteller
Chloroform-d
1
99,8 Atom% D ROTH
Deuteriumoxid 99,9 % Aldrich
Dimethylsulfoxid-d
6
99,8 Atom% D ROTH
Methanol-d
4
99,8 % Deutero
Experimenteller Teil 65
3.1.2. Chemikalien
Tabelle 3.1-3: verwendete Feinchemikalien und deren Hersteller
Feinchemikalien Reinheit Hersteller Bemerkung
2,2'-Bipyridin ≥ 99 % Acros
2-Brompropionylbromid 97 % Aldrich
Acryloylchlorid 96 % Sigma-
Aldrich
Aluminiumoxid 90 aktiv
neutral (Aktivitätsstufe I) - Merck
Ameisensäure 99-100 % p.a. Sigma-
Aldrich
Calciumchlorid wasserfrei, gekörnt Grüssing
Cyclohexanon 99,8 % extra pure Acros
Di-tert-butyl-dicarbonat 97 % Acros
DMF-Dineopentylacetal 99 % Aldrich
Essigsäure 99 - 100 %, zur Synthese Merck
Ethyl-2-bromisobutyrat
Aldrich
Formaldehydlösung (36,5
%) p.a. Sigma-
Aldrich
Glycerin ≥ 99,5 % p.a. wasserfrei ROTH
Hydrochinon zur Synthese Merck umkrist. aus Ethanol
Kupfer(I)-bromid 99,999 % Aldrich umkrist. aus gesättigter
Natriumbromid-Lösung
Magnesiumsulfat 99 % reinst Grüssing
Methacryloylchlorid ≥ 97 % purum Fluka
Methyl-2-brompropionat 98 % Aldrich
N,N,N‘,N‘‘,N‘‘-Pentamethyl-
diethylentriamin ≥ 99 % Acros
N,N-Dimethylacrylamid 99 % (stab. with MEHQ) Aldrich destlilliert und unter
Argon 5.0 kühl gelagert
Natriumcarbonat 99,5 % p.a. Grüssing
Natriumchlorid 99,5 % p.a. Grüssing
Natriumhydrogencarbonat reinst Merck
Natriumhydrogensulfat 99 % p.a. Grüssing
Natriumhydroxid
(Plätzchen) analytical reagent NORMAPUR
N-Isopropylacrylamid > 98 % (stab. with
MEHQ) TCI Europe umkrist. aus n-Hexan
und kühl gelagert
p-Nitrobenzaldehyd 99,5 % Aldrich
Poly(ethylenglycol)
Monomethylether (M
n
=
5000 g/mol) Aldrich
p
-
Toluolsulfonsäure
-
Monohydrat 98,5 % Sigma-
Aldrich
trans-4-Hydroxy-L-prolin ≥ 99 % Aldrich
Triethylamin 99 % p.a. Grüssing
Trifluoressigsäure 99 % Aldrich
Trifluormethansulfonsäure 99 % extra pure Acros
Tris(2-aminoethyl)amin 96 % Acros
Experimenteller Teil 66
Tabelle 3.1-4: Chemikalien für die MALDI-ToF-MS-Probenvorbereitung
Chemikalien Reinheit Hersteller
trans
-
2
-
[3
-
(4
-
tert
-
Butylphenyl)
-
2
-
methyl-2-propenyliden]-
malonsäuredinitril (DCTB) ≥ 98 % Aldrich
Chloroform 99+ %, for
spectroscopy Acros
Natriumtrifluormethansulfonat
(NaOTf) 98 % Aldrich
Tetrahydrofuran Optigrade for LC/MS Promochem
Tabelle 3.1-5: Chemikalien für die Gelpermeationschromatographie
Chemikalien Reinheit Hersteller
2,6-Di-tert-butyl-4-methylphenol (BHT) > 99 %
purum Fluka
Lithiumbromid ≥ 98 %,
purum p.a. Fluka
N,N-Dimethylacetamid 99,5 % extra
pure Acros
3.2. Verwendete Methoden
3.2.1. Kernspinresonanzspektroskopie (NMR)
Die Aufnahme der Kernspinresonanzspektren erfolgte in einem Bruker Avance 500
Spektrometer. Die Verschiebung des jeweiligen Lösungsmittelsignals diente dabei
zur Normierung der ppm-Skala. Die Spektren wurden mit der Software Topspin 2.1
PL5 der Firma Bruker aufgenommen und ausgewertet.
3.2.2. Gelpermeationschromatographie (GPC)
Die verwendete Anlage zur Gelpermeationschromatographie besteht aus einer
Pumpe (Merck Hitachi 655A-11 Liquid Chromatograph mit L5000 LC-Controller),
einem Handventil (Knauer) mit 100 µl Injektionsschleife, einem Säulenofen
(Shimadzu CTO-6A) sowie einem UV/VIS- und einem Brechungsindexdetektor
(Merck Hitachi L4200 UV/VIS-Detector und Knauer Smartline RI Detector 2300). Zur
Analyse der Polymere wurde eine Kombination aus PSS-GRAM-Säulen mit
definierter Porösität (PSS-GRAM guard, PSS-GRAM 10
3
Ǻ, PSS-GRAM 10
2
Ǻ) ge-
wählt. Diese Säulen enthalten Gelpartikel von 10 µm Größe, die aus einem Poly-
Experimenteller Teil 67
ester-Copolymer-Netzwerk aufgebaut sind. Als Eluent wird N,N-Dimethylacetamid
verwendet, dem Lithiumbromid zugesetzt wurde (0,4 g/l). Um die Viskosität des
Eluenten herabzusetzen, wurden die Säulen auf 50 °C temperiert. Die Probe wurde
als Lösung in N,N-Dimethylacetamid mit einer Konzentration von 6 mg/ml vorbereitet.
Dabei enthielt das N,N-Dimethylacetamid neben dem Lithiumbromid (0,4 g/l) auch
noch 2,6-Di-tert-butyl-2-methylphenol (BHT) als internen Standard. Die Molmassen-
bestimmung erfolgte substanzspezifisch auf Basis von engverteilten PMMA-
Standards. Zur Aufnahme und Auswertung der Messergebnisse wurde die Software
WinGPC Unity Build 5403 von PSS verwendet.
3.2.3. Matrix-unterstützte Laser-Desorption/Ionisation-
Massenspektrometrie mit Flugzeitanalysator (MALDI-ToF-MS)
Die MALDI-ToF-MS Spektren wurden mit einem Waters MALDI Synapt™-G2 HDMS
Massenspektrometer aufgenommen. Dieses Gerät ist ausgestattet mit einem 1 kHz
Nd:YAG Feststofflaser, dessen emittierter Lichtpuls eine Wellenlänge von 355 nm
und eine Pulsbreite von 3 ns besitzt. Die Aufnahme der Messdaten erfolgte mit Hilfe
der MassLynx-Software (Version 4.1) von Waters. Zur Auswertung der MALDI-ToF-
MS Spektren wurde die Polymerix Software von Sierra Analytics verwendet.
Der modifizierte PEG-5000-Makroinitiator wird mit einer Konzentration von 10 mg/ml
in Chloroform gelöst. Separat werden Lösungen der Matrix (DCTB) und des
Ionisierungsagenz (NaOTf) in THF mit einer Konzentration von 10 mg/ml hergestellt.
Die Matrixlösung wird mit der Lösung des Ionisierungsagenz im Volumenverhältnis
10:1 gemischt. Die gemischte Lösung aus Matrix und Ionisierungsagenz wird mit der
Polymerlösung ebenfalls im Volumenverhältnis 10:1 gemischt. 1 µl der so erhaltenen
Lösung wird auf das Target aufgebracht und analysiert.
3.2.4. Dynamische Lichtstreuung
Die Charakterisierung des temperaturabhängigen Aggregationsverhaltens der
synthetisierten Blockcopolymere erfolgte über den Zetasizer Nano-ZS von Malvern.
Zur Erzeugung des kohärenten Lichts der Wellenlänge 633 nm benutzt das Gerät
einen He-Ne Laser mit einer mittleren Leistung von 4 mW. Die Detektion des von der
Probe gestreuten Lichts wird bei einem festen Winkel von 173 ° durch eine
Experimenteller Teil 68
Avalanche Photodiode vorgenommen. Für die Aufnahme und Auswertung der Mess-
daten wurde die Zetasizer Software (Version 6.20) von Malvern verwendet. Die Aus-
wertung der Korrelationsfunktion erfolgte dabei unter der Annahme, dass mehrere
Spezies in der Lösung vorliegen, von denen jede eine enge Größenverteilung auf-
weist (Option „multiple narrow modes“).
3.3. Synthese niedermolekularer Verbindungen
3.3.1. Synthese des Me
6
Tren-Liganden für die ATRP
Die Synthese des Tris[2-(dimethylamino)ethyl]amin-Liganden (Me
6
Tren) erfolgt nach
einer leicht modifizierten Vorschrift von Ciampolini et al. ausgehend von Tris(2-
aminoethyl)amin.
218
NNN
N
NNH
2
H
2
N
NH
2
HCHO, HCOOH, H2O
90 °C, 18 h
(64 %)
Abbildung 3.3-1: Synthese des Me
6
Tren-Liganden
In einem 100-ml-Zweihalskolben mit Rückflusskühler werden zunächst 5 ml ent-
ionisiertes Wasser, 26,3 ml (0,85 mol) einer konzentrierten Ameisensäure (HCOOH)
und 22,3 ml (0,28 mol) einer 35 %igen Formaldehydlösung (HCHO) vorgelegt und
unter Rühren für 1 h in einem Eisbad gekühlt. Über eine Spritze werden tropfenweise
über 10 min 5,0 ml (33 mmol) Tris(2-aminoethyl)amin zugegeben und anschließend
das Eisbad entfernt. Das Reaktionsgemisch wird bei 90 °C für 18 h gerührt. Zur
Aufarbeitung werden zunächst alle leichtflüchtigen Substanzen unter Anlegen eines
Grobvakuums (12 mbar) aus dem Reaktionsgemisch entfernt. Das Volumen des
entfernten Wassers beträgt dabei ca. 25 ml. Der Destillationsrückstand wird mit 10
%iger Natronlauge auf eine pH-Wert von 10-12 gebracht. Bei dieser exothermen
Reaktion sollte auf eine entsprechende Kühlung im Eisbad geachtet werden. Die
basische Reaktionslösung wird anschließend fünfmal mit je ca. 50 ml Dichlormethan
extrahiert. Die vereinigte organische Phase wird über Magnesiumsulfat getrocknet.
Das nach Abtrennen des Trockenmittels und der Lösungsmittel erhaltene Rohprodukt
Experimenteller Teil 69
wird unter Feinvakuum destilliert (Produktfraktion bei 65 °C und 0,01 mbar). Man
erhält 4,83 g (21 mmol) Tris[2-(dimethylamino)ethyl]amin als farblose Flüssigkeit.
Charakterisierung des Produkts:
1
N
1
1
2
N
3
3
2
N
3
3
2
N
3 3
Ausbeute: η = 64 %
1
H-NMR-Spektrum (500 MHz, CDCl
3
):
δ (ppm) = 2,20 (18H, 3-CH
3
, s); 2,32-2,38 (6H, 1-CH
2
, m); 2,56-2,61 (6H, 2-CH
2
, m)
13
C-NMR-Spektrum (500 MHz, DMSO-d
6
):
δ (ppm) = 45,61 (6C, 3-CH
3
); 52,53 (3C, 1-CH
2
); 57,44 (3C, 2-CH
2
)
3.3.2. Synthese des Solketalacrylat (SKA)-Monomers
Die Synthese des 2,2-Dimethyl-1,3-dioxolan-4-yl-methylacrylat (Solketalacrylat, SKA)
erfolgt über 2 Stufen ausgehend von Glycerin, Aceton und Acryloylchlorid.
1. Stufe: Synthese des Isopropylidenglycerols
Das Schützen zweier benachbarter Hydroxygruppen des Glycerins als Acetal mit
Aceton wird nach einer Vorschrift von Yu et al. durchgeführt.
219
OH
OH
HO
+
O
O
O
HO
p-TSA
CHCl
3
8 h, reflux
(87 %)
Abbildung 3.3-2: Synthese des Isopropylidenglycerols
In einem 500-ml-Einhalskolben werden 60 g (1,03 mol) Aceton p.a. und 50 g (0,54
mol) Glycerin in 160 ml Chloroform p.a. vorgelegt. Unter Rühren erfolgt die Zugabe
von 2,0 g (12 mmol) p-Toluensulfonsäure (p-TSA). Im Anschluss wird das
Experimenteller Teil 70
Reaktionsgemisch für 7 h unter Rückfluss am Wasserabscheider gekocht. Dabei
scheiden sich ca. 7 ml an Wasser ab. Nach Abkühlen des Reaktionsgemisches
werden 2,17 g (20 mmol) Natriumcarbonat zugesetzt und das Gemisch über Nacht
bei Raumtemperatur gerührt. Nach Abtrennen des Niederschlags werden alle
leichtflüchtigen Substanzen am Rotationsverdampfer entfernt. Man erhält 62,17 g
(0,47 mol) Isopropylidenglycerol als leicht gelbliche, ölige Flüssigkeit. Eine weitere
Aufarbeitung dieses Zwischenprodukts ist nicht notwendig.
Charakterisierung des Produkts:
2
3
O
4
O
1
HO
7
6
5
Ausbeute: η = 87 %
1
H-NMR-Spektrum (500 MHz, CDCl
3
):
δ (ppm) = 1,36 (3H, 6-CH
3
, s); 1,42 (3H, 5-CH
3
, s); 2,11 (1H, 7-OH, dd,
3
J
7-1a
= 6,2
Hz,
3
J
7-1b
= 6,2 Hz); 3,58 (1H, 1a-CH
2
, ddd,
2
J
1a-1b
= 11,7 Hz,
3
J
1a-2
= 5,2 Hz,
3
J
1a-7
=
6,4 Hz); 3,71 (1H, 1b-CH
2
, ddd,
2
J
1b-1a
= 11,7 Hz,
3
J
1b-2
= 3,9 Hz,
3
J
1b-7
= 5,9 Hz); 3,77
(1H, 3a-CH
2
, dd,
2
J
3a-3b
= 8,2 Hz,
3
J
3a-2
= 6,6 Hz); 4,02 (1H, 3b-CH
2
, dd,
2
J
3b-3a
= 8,1
Hz,
3
J
3b-2
= 6,5 Hz); 4,22 (1H, 2-CH, dddd,
3
J
2-3a
= 6,6 Hz,
3
J
2-1b
= 3,9 Hz,
3
J
2-1a
= 5,3
Hz,
3
J
2-3b
= 6,5 Hz)
13
C-NMR-Spektrum (500 MHz, CDCl
3
):
δ (ppm) = 25,22 (1C, 6-CH
3
); 26,64 (1C, 5-CH
3
); 62,99 (1C, 1-CH
2
); 65,77 (1C, 3-
CH
2
); 76,21 (1C, 2-CH); 109,36 (1C, 4-C)
Das Isopropylidenglycerol besitzt am 2-C ein Stereozentrum, welches bei dieser
Synthese in racemischer Konfiguration entsteht. Dieses Stereozentrum und eine
daraus resultierende Vorzugskonformation des Fünfrings führen dazu, dass die
jeweils 2 Protonen am 1-C und 3-C untereinander nicht mehr chemisch äquivalent
sind. In der obigen Auswertung der
1
H-NMR-Signale ist dies durch die Bezeichnung
mit den Buchstaben a und b gekennzeichnet. Eine genaue Zuordnung der
Konfiguration relativ zum Proton am 2-C ist nur bei Kenntnis der Ringkonformation
Experimenteller Teil 71
möglich. Dieses Stereozentrum bewirkt auch, dass die Methylgruppen 5-CH
3
und 6-
CH
3
chemisch nicht äqivalent sind.
2. Stufe: Synthese des 2,2-Dimethyl-1,3-dioxolan-4-yl-methylacrylat (SKA)
In der zweiten Synthesestufe wird das hergestellte Isopropylidenglycerol mit Acryloyl-
chlorid verestert, um das Solketalacrylat zu erhalten. Die Durchführung erfolgt in
einer leicht abgeänderten Variante nach Feng et al.
220
O
O
HO
+
Cl
OO
O
O
O
TEA
CH
2
Cl
2
48 h, RT
(68 %)
Abbildung 3.3-3: Synthese des Solketalacrylats
In einem zuvor unter Vakuum ausgeheizten 1-l-Dreihalskolben mit Tropftrichter und
Innenthermometer werden unter Argon-Schutzgasatmosphäre 62 g (0,47 mol)
Isopropylidenglycerol vorgelegt. Unter Rühren wird eine Lösung aus 65 ml (0,47 mol)
Triethylamin (TEA) in 550 ml Dichlormethan p.a. zugegeben. Nachdem das Gemisch
mit einem Eisbad abgekühlt wurde, wird eine Lösung aus 34 ml (0,42 mol)
Acryloylchlorid in 90 ml Dichlormethan p.a. so zugetropft, dass die Temperatur des
Reaktionsgemisches unter 8 °C bleibt. Im Anschluss wird die Reaktionsmischung für
48 h bei Raumtemperatur gerührt. Der entstandene Niederschlag wird abfiltriert, die
Reaktionslösung dreimal mit je 100 ml entionisiertem Wasser gewaschen und
danach über Magnesiumsulfat getrocknet. Nach Abtrennen des Trockenmittels und
Entfernen der Lösungsmittel am Rotationsverdampfer wird das Rohprodukt unter
Feinvakuum destilliert (Produktfraktion bei 55 °C u nd 0,01 mbar). Dabei wird eine
Spatelspitze Hydrochinon als Inhibitor zugesetzt. Man erhält 53 g (0,29 mol)
Solketalacrylat als eine farblose, leicht ölige Flüssigkeit.
Sollte es bei der ATRP von Solketalacrylat Probleme geben (Oxidation des Kupfer(I)-
komplexes bereits bei der Vorbereitung, geringe Umsätze bei der Polymerisation),
dann muss das SKA zusätzlich durch eine flash-Chromatographie gereinigt werden
(Eluent: Ethylacetat:n-Hexan (3:7); R
f
= 0,4)
Experimenteller Teil 72
Charakterisierung des Produkts:
1
23
O
O
4
5
6
O
7
O
9
8
Ausbeute: η = 68 %
1
H-NMR-Spektrum (500 MHz, CDCl
3
):
δ (ppm) = 1,36 (3H, 6-CH
3
, s); 1,42 (3H, 5-CH
3
, s); 3,76 (1H, 4a-CH
2
, dd,
2
J
4a-4b
=
11,6 Hz,
3
J
4a-5
= 4,7 Hz); 4,08 (1H, 4b-CH
2
, dd,
2
J
4b-4a
= 11,6 Hz,
3
J
4b-5
= 5,8 Hz); 4,17
(1H, 6a-CH
2
, dd,
2
J
6a-6b
= 8,4 Hz,
3
J
6a-5
= 6,1 Hz); 4,24 (1H, 6b-CH
2
, dd,
2
J
6b-6a
= 8,5
Hz,
3
J
6b-5
= 6,5 Hz); 4,30-4,40 (1H, 5-CH, m); 5,84 (1H, 1-CH
2
[cis zu 2-CH], dd,
3
J
1cis-
2
= 10,5 Hz,
2
J
1cis-1trans
= 1,4 Hz); 6,14 (1H, 2-CH, dd,
3
J
2-1trans
= 17,3 Hz,
3
J
2-1cis
= 10,5
Hz); 6,43 (1H, 1-CH
2
[trans zu 2-CH], dd,
3
J
1trans-2
= 17,3 Hz,
2
J
1trans-1cis
= 1,4 Hz)
13
C-NMR-Spektrum (500 MHz, CDCl
3
):
δ (ppm) = 25,24 (1C, 9-CH
3
); 26,67 (1C, 8-CH
3
); 64,72 (1C, 4-CH
2
); 66,31 (1C, 6-
CH
2
); 73,58 (1C, 5-CH); 109,80 (1C, 7-C); 127,98 (1C, 2-CH); 131,25 (1C, 1-CH
2
);
165,80 (1C, 3-C)
3.3.3. Synthese des geschützten trans-4-Methacryloyloxy-
L
-prolin-
Monomers
Um den L-Prolin-Katalysator in das stimuli-sensitive Polymer einbauen zu können,
funktionalisiert man das trans-4-Hydroxy-
L
-prolin mit Methacryloylchlorid. Danach
werden sowohl die sekundäre Aminogruppe als auch die Carbonsäure geschützt, um
Störungen bei der ATRP zu vermeiden.
1. Stufe: Synthese des O-Methacryloyl-trans-4-hydroxy-
L
-prolin Hydrochlorids
Die Veresterung des trans-4-Hydroxy-
L
-prolins mit Methacryloylchlorid unter stark
sauren Bedingungen wird nach einer Vorschrift von Kristensen et al. durchgeführt.
221
Experimenteller Teil 73
N
H
HO
O
OH
+
Cl
ON
H
2
OO
OH
O
CF
3
CO
2
H, CF
3
SO
3
H
3 h, RT
(46 %) Cl
Abbildung 3.3-4: Synthese des Synthese des O-Methacryloyl-trans-4-
hydroxy-
L
-prolin Hydrochlorids
In einem unter Vakuum ausgeheizten 100-ml-Zweihalskolben mit Rückflusskühler
und Calciumchlorid-Trockenrohr werden 18,5 ml (250 mmol) Trifluoressigsäure vor-
gelegt und in einem Eisbad gekühlt. Unter Eiskühlung werden langsam, portions-
weise 5,0 g (38 mmol) trans-4-Hydrox-
L
-prolin zugegeben, welches zuvor für ca. 16 h
bei 70 °C getrocknet worden ist. Das Reaktionsgemisch wird ca. 10 min gerührt,
wobei sich eine viskose Lösung ergibt. Unter Umständen geht das trans-4-Hydrox-
L
-
prolin nicht vollständig in Lösung. Das Eisbad wird entfernt und 0,6 ml (7 mmol)
Trifluormethansulfonsäure werden dem Reaktionsgemisch zugesetzt. Nach weiteren
5 min Rühren werden 7,5 ml (78 mmol) Methacryloylchlorid tropfenweise über eine
Spritze zugegeben. Das Reaktionsgemisch wird für 3 h bei Raumtemperatur gerührt.
Anschließend wird das Gemisch wiederum im Eisbad abgekühlt und 55 ml
Diethylether werden unter lebhaftem Rühren zugegeben. Nach 15 min Rühren unter
Eiskühlung wird das ausgefallene Rohprodukt abgesaugt und mit kaltem Diethylether
gewaschen. Im Anschluss wird das Rohprodukt in 50 ml Methanol gelöst und erneut
in Diethylether (ca. 150 ml) ausgefällt. Nach Trocknen des Produkts unter Feinvaku-
um erhält man 4,08 g (17 mmol) O-Methacryloyl-trans-4-hydroxy-
L
-prolin Hydro-
chlorid als feines weißes Pulver.
Charakterisierung des Produkts:
5
8
N
H
2
7
6
9
OO
OH
4
2
O
1
3
Cl
Ausbeute: η = 46 %
Experimenteller Teil 74
1
H-NMR-Spektrum (500 MHz, CD
3
OD):
δ (ppm) = 1,98 (3H, 3-CH
3
, m); 2,51 (1H, 6a-CH
2
, dd, J
1
= 10,5 Hz, J
2
= 5,1 Hz); 2,68
(1H, 6b-CH
2
, dddd, J
1
= 14,7 Hz, J
2
= 7,8 Hz, J
3
= 1,7 Hz, J
4
= 1,7 Hz); 3,55 (1H, 8a-
CH
2
, ddd, J
1
= 13,2 Hz, J
2
= 1,6 Hz, J
3
= 1,5 Hz); 3,74 (1H, 8b-CH
2
, dd, J
1
= 13,3 Hz,
J
2
= 4,7 Hz); 4,63 (1H, 7-CH, dd, J
1
= 10,5 Hz, J
2
= 7,7 Hz); 5,52 (1H, 5-CH, dd, J
1
=
4,9 Hz, J
2
= 4,7 Hz); 5,74-5,75 (1H, 1a-CH
2
, m); 6,21 (1H, 1b-CH
2
, m)
13
C-NMR-Spektrum (500 MHz, CD
3
OD):
δ (ppm) = 16,80 (1C, 3-CH
3
); 26,67 (1C, 8-CH
3
); 34,43 (1C, 6-CH
2
); 50,93 (1C, 8-
CH
2
); 58,05 (1C, 5-CH); 72,93 (1C, 7-CH); 126,11 (1C, 1-CH
2
); 135,66 (1C, 2-C);
166,17(1C, 4-C); 169,20 (1C, 9-C)
2. Stufe: Synthese des N-tert-Butyloxycarbonyl-O-methacryloyl-trans-4-hydroxy-
L
-
prolins
Die sekundäre Aminogruppe des
L
-Prolins wird nach einer Vorschrift von Kristensen
et al. als tert-Butylcarbamat geschützt.
221
N
H
2
OO
OH
O
Cl
N
OO
OH
O
OO
Boc
2
O, TEA
CH
2
Cl
2
30 min, reflux
(69 %)
Abbildung 3.3-5: Synthese des N-tert-Butyloxycarbonyl-O-methacryloyl-
trans-4-hydroxy-
L
-prolins
In einem Zweihalskolben mit Rückflusskühler werden 2,89 g (13 mmol) Di-tert-butyl-
dicarbonat (Boc
2
O) und 5,4 ml (39 mmol) Triethylamin (TEA) in 30 ml Dichlormethan
p.a. gelöst. Es wird noch eine Spatelspitze Hydrochinon zu gesetzt. Über einen
Zeitraum von 10 min werden portionsweise 3,27 g (14 mmol) O-Methacryloyl-trans-4-
hydroxy-
L
-prolin Hydrochlorid beigemischt und mit 20 ml Dichlormethan p.a. nachge-
spült. Die enstandene Suspension wird für 30 min unter Rückfluss gekocht. Nach
dem Abkühlen wird das Reaktionsgemisch mit 40 ml einer 1 M Natriumhydrogen-
sulfat-Lösung gewaschen. Dabei gehen alle Feststoffe in Lösung und es werden 2
Phasen erkennbar. Die wässrige Phase wird dreimal mit 50 ml Dichlormethan
Experimenteller Teil 75
extrahiert und die vereinigten organischen Phasen werden mit 100 ml einer gesättig-
ten Natriumchlorid-Lösung gewaschen. Nach Trocknen über Magnesiumsulfat und
Entfernen der Lösungsmittel erhält man 2,61 g (9 mmol) N-tert-Butyloxycarbonyl-O-
methacryloyl-trans-4-hydroxy-
L
-prolin als gelbliches, zähflüssiges Öl
Charakterisierung des Produkts:
5
8
N
7
6
9
OO
OH
4
2
O
1
3
10
OO
11
12
12
12
Ausbeute: η = 69 %
1
H-NMR-Spektrum (500 MHz, CDCl
3
):
für ein Gemisch aus beiden tert-Butylcarbamat-Rotameren:
δ (ppm) = 1,40-1,50 (9H, 12-CH
3
, m); 1,93 (3H, 3-CH
3
, s); 2,30-2,60 (2H, 6-CH
2
, br);
3,60-3,80 (2H, 8-CH
2
, br); 4,35-4,60 (1H, 7-CH, br); 5,30-5,40 (1H, 5-CH, br); 5,60
(1H, 1a-CH
2
, s); 6,09 (1H, 1b-CH
2
, s)
13
C-NMR-Spektrum (500 MHz, CDCl
3
):
für ein Gemisch aus beiden tert-Butylcarbamat-Rotameren:
δ (ppm) = 18,14 (1C, 3-CH
3
); 28,22 und 28,31 (3C, 12-CH
3
); 34,51 und 36,57 (1C, 6-
CH
2
); 51,98 und 52,45 (1C, 8-CH
2
); 57,80 (1C, 7-CH); 72,16 und 72,39 (1C, 5-CH);
81,03 und 82,09 (1C, 11-C); 126,35 (1C, 1-C); 135,85 (1C, 2-C); 153,66 und 156,28
(1C, 10-C); 166,64 (1C, 4-C); 174, 01 und 177, 28 (1C, 9-C)
3. Stufe: Synthese des N-tert-Butyloxycarbonyl-O-methacryloyl-trans-4-hydroxy-
L
-
prolin-tert-butylester (MAOLP(Boc,tBu))
Die freie Carboxylgruppe wird als tert-Butylester geschützt. Dies geschieht mit Hilfe
von tert-Butanol in Anwesenheit von DMF-Dineopentylacetal nach einer Methode von
Experimenteller Teil 76
Eschenmoser aus dem Jahr 1965.
222
Die Synthese wird nach einer modifizierten
Variante von Lemke et al. durchgeführt.
223
N
OO
OH
O
OO
N
OO
O
O
OO
DMF-Dineopentylacetal,
t-BuOH
Toluol, reflux, 7 h
(47 %)
Abbildung 3.3-6: Synthese des N-tert-Butyloxycarbonyl-O-methacryloyl-
trans-4-hydroxy-
L
-prolin-tert-butylester
In einem ausgeheizten 25-ml-Zweihalskolben mit Rückflusskühler und CaCl
2
-
Trockenrohr werden unter Argonatmosphäre 0,47 g (1,57 mmol) N-tert-
Butyloxycarbonyl-O-methacryloyl-trans-4-hydroxy-
L
-prolin in 12 ml Toluol p.a. und 2
ml (21 mmol) tert-Butanol gelöst. Unter Rückfluss werden 0,70 ml (2,51 mmol) DMF-
Dineopentylacetal innerhalb von 15 min tropfenweise zugegeben. Das Reaktions-
gemisch wird für 7 h unter Rückfluss gerührt. Nach dem Abkühlen wird das Gemisch
am Rotationsverdampfer eingeengt und in ca. 40 ml Ethylacetat aufgenommen. Die
organische Phase wird mit gesättigter Natriumcarbonat- (50 ml), gesättigter Natrium-
hydrogencarbonat- (50 ml) und gesättigter Natriumchlorid-Lösung sowie mit
entionisiertem Wasser (50 ml) gewaschen. Nach dem Trocknen über Magnesium-
sulfat werden die Lösungsmittel vollständig am Rotationsverdampfer entfernt. Man
erhält 0,26 g (0,73 mmol) N-tert-Butyloxycarbonyl-O-methacryloyl-trans-4-hydroxy-
L
-
prolin-tert-butylester als gelbes Öl.
Charakterisierung des Produkts:
5
8
N
7
6
9
OO
O
4
2
O
1
3
12
OO
13
14
14
14
10
11
11
11
Ausbeute: η = 45 %
Experimenteller Teil 77
1
H-NMR-Spektrum (500 MHz, DMSO-d
6
):
für ein Gemisch aus den tert-Butyl- und tert-Butylcarbamat-Rotameren:
δ (ppm) = 1,33-1,48 (18H, 11-CH
3
, 14-CH
3
, m); 1,87 (3H, 3-CH
3
, s); 2,10-2,45 (2H, 6-
CH
2
, m); 3,40-3,70 (2H, 8-CH
2
, m); 4,17 (1H, 7-CH, b); 5,23 (1H, 5-CH, br); 5,71 (1H,
1a-CH
2
, s); 6,03 (1H, 1b-CH
2
, s)
13
C-NMR-Spektrum (500 MHz, DMSO-d
6
):
für ein Gemisch aus den tert-Butyl- und tert-Butylcarbamat-Rotameren:
δ (ppm) = 18,27 (1C, 3-CH
3
); 28,07, 28,35, 28,42, 28,47 und 28,56 (6C, 11-CH
3
, 14-
CH
3
); 35,23 und 36,20 (1C, 6-CH
2
); 52,12 und 52,36 (1C, 8-CH
2
); 58,43, 58,61 und
58,67 (1C, 7-CH); 72,54 und 73,28 (1C, 5-CH); 79,22 und 79,77 (1C, 13-C); 81,11
und 81,32 (1C, 10-C); 126,71 (1C, 1-C); 136,11 (1C, 2-C); 153,54 und 153,98 (1C,
12-C); 166,56 (1C, 4-C); 171,34, 171,73 und 172,32 (1C, 9-C)
3.4. Synthese hochmolekularer Verbindungen
3.4.1. Endgruppenmodifizierung von PEG-5000-Monomethylether mit
2-Brompropionylbromid
Kommerziell erhältliches Poly(ethylenglycol) (PEG) kann durch eine polymeranaloge
Reaktion in einen Makroinitiator für die ATRP umgewandelt werden. Um einen
Makroinitiator für die Synthese von Diblockcopolymeren zu erhalten geht man von
einem PEG-Monomethylether aus, den man mit 2-Brompropionylbromid umsetzt.
Das zahlenmittlere Molekulargewicht des eingesetzten PEG-Monomethylethers
beträgt 5000 g/mol, das einem mittleren Polymerisationsgrad von 113 entspricht.
Diese Modifizierung wird analog einer Vorschrift zur Umsetzung eines PEG-5000-
Monomethylethers mit 2-Chlorpropionylchlorid durchgeführt.
224
OOH
+
Br
O
Br O O
O
Br
TEA
CH
2
Cl
2
, reflux
24 h
(79 %)
113 113
Abbildung 3.4-1: Modifizierung des PEG-5000-Monomethylethers mit 2-
Brompropionylbromid
Experimenteller Teil 78
In einem ausgeheizten 100-ml-Dreihalskolben mit Rückflusskühler und Innenthermo-
meter werden unter Argonatmosphäre 6,3 g (1,3 mmol) PEG-5000-Monomethylether
und 1,4 ml (10,0 mmol) Triethylamin in 40 ml Dichlormethan p.a. gelöst.
Anschließend wird unter Eiskühlung eine Lösung aus 2,6 ml (25 mmol) 2-
Brompropionylbromid in 40 ml Dichlormethan p.a. tropfenweise so zugegeben, dass
die Temperatur des Reaktionsgemisches nicht über 5 °C steigt. Danach wird das
Eisbad entfernt und Reaktionsgemisch für 24 h unter Rückfluss erhitzt. Zur
Aufarbeitung wird das Reaktionsgemisch auf ca. die Hälfte des ursprünglichen
Volumens eingeengt. Eventuell ausfallendes Triethylammoniumbromid wird
abgesaugt und das Polymer in ca. 400 ml kaltem Diethylether ausgefällt. Im
Anschluss wird das Rohprodukt fünfmal in Ethanol (jeweils ca. 50 ml) umkristallisiert.
Nach dem Trocknen unter Feinvakuum erhält 5,1 g (1,0 mmol) O-(2-Brompropionyl)-
PEG-5000-Methylether als weißes Pulver.
Charakterisierung des Produkts:
1
O
2
3
O
4
5
O
O
6
7
Br
112
Ausbeute: η = 79 %
1
H-NMR-Spektrum (500 MHz, CDCl
3
):
δ (ppm) = 1,82 (3H, 7-CH
3
, d,
3
J
7-6
= 6,9 Hz); 3,37 (3H, 1-CH
3
, s); 3,45-3,70 (480H, 2-
CH
2
, 3-CH
2
, 4-CH
2
, br); 4,30-4,33 (2H, 5-CH
2
, br); 4,38 (1H, 6-CH, q,
3
J
6-7
= 6,9 Hz)
3.4.2. ATRP von Solketalacrylat (SKA)
O
O
O
O
IX
O O
O
O
n
ATRP Initiator (I)
Endgruppe (X)
Abbildung 3.4-2: ATRP von Solketalacrylat (SKA)
Experimenteller Teil 79
Unter Umständen muss das Solketalacrylat chromatographisch gereinigt werden
(siehe Anschnitt 3.3.2). Unmittelbar vor Versuchsbeginn werden das Solketalacrylat
und der Diphenylether ca. 20 min mit Argon 5.0 gespült.
Eine Stickstoffvorlage mit Rührfisch und Silikonseptum wird evakuiert und mit Argon
5.0 geflutet. Im Anschluss werden 20 mg (0,14 mmol) Kupfer(I)-bromid eingewogen.
Die Stickstoffvorlage wird erneut evakuiert und mit Argon 5.0 geflutet. Anschließend
werden 1,2 ml (7 mmol) Solketalacrylat, 2,5 ml Diphenylether und 29 µl (0,14 mmol)
N,N,N‘,N‘‘,N‘‘-Pentamethyldiethylentriamin (PMDETA) zugegeben. Nach kurzem
Rühren bei RT wird die Reaktionsmischung komplett in flüssigem Stickstoff
eingefroren, die Stickstoffvorlage evakuiert und anschließend das Reaktionsgemisch
unter Vakuum aufgetaut. Dieser Zyklus zur Entgasung („freeze, pump, thaw“) wird
anschließend zweimal wiederholt. Zum Schluss wird die Stickstoffvorlage mit Argon
5.0 geflutet und 5 min im Ölbad bei 90 °C temperiert. Die Polymerisation wird durch
Zugabe von 21 µl (0,14 mmol) Ethyl-2-bromisobutyrat (EBrIB) gestartet. Die immer
intensiver werdende Grünfärbung des Reaktionsgemisches zeigt den Fortschritt der
Polymerisation an. Sollte nach der Initiierung eine Blaufärbung des Gemisches
auftreten, so muss das SKA chromatographisch gereinigt werden. Nach 1 h wird die
Polymerisation durch Einfrieren in flüssigem Stickstoff abgebrochen. Nach dem
Auftauen wird die Reaktionsmischung mit 10 ml THF verdünnt und über
Aluminiumoxid filtriert (Eluent: THF). Die Lösungsmittel werden am Rotations-
verdampfer entfernt und das Polymer nach Verdünnen mit ca. 5 ml THF in 200 ml n-
Hexan bei RT ausgefällt. Dabei scheidet sich das Polymer als klebriges Öl am Boden
ab. Nach Dekantieren der n-Hexan-Phase wird das Polymer in Diethylether gelöst.
Nach Entfernen des Ethers am Rotationsverdampfer und Trocknen des Polymers
unter Feinvakuum erhält man 1,0 g Poly(solketalacrylat) (PSKA) als gelbliches
zähflüssiges Öl.
Sofern keine anderen Angaben erfolgen, werden die übrigen ATRP-Ansätze zur
Homopolymerisation von SKA analog der oben beschriebenen Prozedur durchge-
führt.
Bei der Untersuchung zur Reaktionskinetik der ATRP von SKA wird der doppelte
Ansatz gewählt. Nach definierten Abständen werden Aliquote (jeweils 0,2 ml) per
Spritze aus der Reaktionsmischung entnommen und in flüssigem Stickstoff
Experimenteller Teil 80
eingefroren. Nach dem Auftauen werden diese Aliquote direkt zur
1
H-NMR-Spektro-
skopie (ca. 0,1 ml) und zur GPC-Untersuchung (ca. 0,1 ml) verwendet.
Um die Alkylbromid-Endgruppen indirekt nachzuweisen werden Versuche zur Ketten-
verlängerung unternommen. Dazu wird der Reaktionsansatz wie beschrieben vorbe-
reitet und initiiert. Nach 1 h wird die Polymerisation durch Verdünnen mit ca. 10 ml
THF und Sauerstoffkontakt abgebrochen. Der Kupferkomplex wird wie beschrieben
entfernt und das Polymer in n-Hexan ausgefällt. Das Polymer wird in Diethylether
gelöst, dabei werden 2,5 ml Diphenylether direkt zur Polymerlösung gegeben und
der Ether am Rotationsverdampfer entfernt. Die resultierende Polymerlösung in
Diphenylether wird als Makroinitiator verwendet und für 20 min mit Argon 5.0 gespült.
Separat wird ein Gemisch aus SKA, Diphenylether, PMDETA und CuBr wie oben
beschrieben vorbereitet und entgast. Nach Temperieren dieser Mischung bei 90 °C
im Ölbad wird die Makroinitiator-Lösung per Spritze zugegeben. Nach 18 h Rühren
bei 90 °C wird das PSKA wie bereits beschrieben auf gearbeitet.
Charakterisierung des Produkts:
I
12X
O O
34
5O
O7
6
n
Ausbeute: η = 83 %
1
H-NMR-Spektrum (500 MHz, CDCl
3
):
δ (ppm) = 1,45 (3H, 7-CH
3
, br); 1,52 (3H, 6-CH
3
, br); 1,55-2,25 (2H, 1-CH
2
, br); 2,25-
2,70 (1H, 2-CH, br); 3,84 (1H, 3a-CH
2
, br); 4,00-4,35 (3H, 3b-CH
2
, 4a-CH
2
, 4b-CH
2
,
br); 4,40 (1H, 4-CH, br)
GPC (Eluent: DMAc, PMMA-Kalibrierung): M
n
= 6900 g/mol, D = 1,16
Experimenteller Teil 81
3.4.3. ATRP von N-Isopropylacrylamid (NIPAAm)
H
N
O
IX
OHN
ATRP
n
Initiator (I)
Endgruppe (X)
Abbildung 3.4-3: ATRP von NIPAAm
Das kommerziell erhältliche
N
-Isopropylacrylamid wird in
n
-Hexan umkristallisiert, um
den Inhibitor MEHQ zu entfernen. Unmittelbar vor Versuchsbeginn werden die
benötigten Lösungsmittel für die ATRP ca. 20 min mit Argon 5.0 gespült.
Eine Stickstoffvorlage mit Rührfisch und Silikonseptum wird evakuiert und mit Argon
5.0 geflutet. Es werden 27 mg (0,19 mmol) Kupfer(I)-bromid eingewogen.
Anschließend wird die Stickstoffvorlage evakuiert und mit Argon 5.0 belüftet. Es
werden über eine Mikroliterspritze 51 µl (0,19 mmol) Me
6
Tren zugegeben. Nach ca. 5
min werden 1,07 g (9,5 mmol) NIPAAm eingewogen und die Stickstoffvorlage danach
erneut evakuiert und mit Argon 5.0 belüftet. Im Anschluss werden 2,5 ml Isopropanol
und 0,5 ml Wasser über eine Spritze zugegeben. Die Bildung des Katalysator-
komplexes ist an der Grünfärbung des Reaktionsgemisches erkennbar. Das
Reaktionsgemisch wird durch Einfrieren in flüssigem Stickstoff, Evakuieren und
Auftauen unter Vakuum entgast. Dieser Zyklus wird insgesamt dreimal wiederholt.
Zum Schluss wird die Stickstoffvorlage mit Argon 5.0 geflutet und 10 min bei 0 °C
temperiert. Die Polymerisation wird durch Zugabe von 21 µl (0,19 mmol) Methyl-2-
brompropionat (MBP) gestartet. Nach 19 h wird die Polymerisation durch Einfrieren
des Reaktionsgemisches in flüssigem Stickstoff und Luftzufuhr abgebrochen. Nach
dem Auftauen wird das Reaktionsgemisch mit ca. 10 ml THF verdünnt und über
Aluminiumoxid filtriert (Eluent: THF). Die Lösungsmittel werden am Rotations-
verdampfer entfernt. Das Rohprodukt wird in ca. 5 ml THF gelöst und in ca. 200 ml
Diethylether bei -50 °C ausgefällt. Das Fällungsmit tel wird abgesaugt und das
Polymer unter Feinvakuum getrocknet. Man erhält 1,01 g Poly(
N
-isopropylacrylamid)
als feines, weißes Pulver.
Dieser Ansatz entspricht den Einwaagen für die Probe PN17. Sofern keine anderen
Angaben erfolgen, werden die übrigen ATRP-Ansätze zur Homopolymerisation von
NIPAAm analog durchgeführt.
Experimenteller Teil 82
Bei der Untersuchung zur Reaktionskinetik der ATRP von NIPAAm wird der doppelte
Ansatz gewählt. Nach definierten Abständen werden Aliquote (jeweils 0,2 ml) per
Spritze aus der Reaktionsmischung entnommen und in flüssigem Stickstoff
eingefroren. Nach dem Auftauen werden diese Aliquote direkt zur
1
H-NMR-Spektro-
skopie (ca. 0,1 ml) und zur GPC-Untersuchung (ca. 0,1 ml) verwendet.
Um die Stabilität der Alkylhalogenid-Endgruppen nachzuweisen wird eine Kettenver-
längerung durch sequentielle Monomerzugabe durchgeführt. Dazu wird das Reak-
tionsgemisch wie beschrieben vorbereitet und die Polymerisation bei 0 °C initiiert.
Nach 45 min werden 0,2 ml der Reaktionsmischung zur Analyse mittels 1H-NMR-
Spektroskopie (in DMSO-d
6
) und Gelpermeationschromatographie entnommen.
Danach wird eine Lösung von 1,07 g (9,5 mmol) NIPAAm in 2,5 ml Isopropanol und
0,5 ml Wasser, die zuvor nach der beschriebenen Prozedur entgast wurde, direkt
zum Reaktionsgemisch gegeben. Nach weiteren 17 h Rühren bei 0 °C wird das
Reaktionsgemisch wie bereits beschrieben aufgearbeitet.
Charakterisierung des Produkts:
I
12
X
OHN
3
4
55
n
Ausbeute: η = 95 %
1
H-NMR-Spektrum (500 MHz, CDCl
3
):
δ (ppm) = 1,13 (6H, 5-CH
3
, br); 1,20-2,35 (3H, 1-CH
2
, 2-CH, br); 4,00 (1H, 4-CH, br);
5,60-7,20 (1H, 3-NH, br)
GPC (Eluent: DMAc, PMMA-Kalibrierung): M
n
= 8200 g/mol, D = 1,11
Experimenteller Teil 83
3.4.4. ATRP von N,N-Dimethylacrylamid (DMAAm)
N
O
ATRP
IX
N O
Initiator (I)
Endgruppe (X)
Abbildung 3.4-4: ATRP von DMAAm
Das kommerziell erhältliche N,N-Dimethylacrylamid wird unter Grobvakuum destil-
liert, um den Stabilisator MEHQ zu entfernen. Unmittelbar vor Versuchsbeginn
werden das Monomer und die benötigten Lösungsmittel für die ATRP ca. 20 min mit
Argon 5.0 gespült.
Eine Stickstoffvorlage mit Rührfisch und Silikonseptum wird evakuiert und mit Argon
5.0 geflutet. Es werden 27 mg (0,19 mmol) Kupfer(I)-bromid eingewogen.
Anschließend wird die Stickstoffvorlage evakuiert und mit Argon 5.0 belüftet. Es
werden über eine Mikroliterspritze 51 µl (0,19 mmol) Me
6
Tren zugegeben. Nach ca. 5
min werden 0,98 ml (9,5 mmol) DMAAm, 2,5 ml Isopropanol und 0,5 ml Wasser über
eine Spritze zugegeben. Die Bildung des Katalysatorkomplexes ist an der Grün-
färbung des Reaktionsgemisches erkennbar. Das Reaktionsgemisch wird durch
Einfrieren in flüssigem Stickstoff, Evakuieren und Auftauen unter Vakuum entgast.
Dieser Zyklus wird insgesamt dreimal wiederholt. Zum Schluss wird die
Stickstoffvorlage mit Argon 5.0 geflutet und 10 min bei 0 °C temperiert. Die
Polymerisation wird durch Zugabe von 21 µl (0,19 mmol) Methyl-2-brompropionat
(MBP) gestartet. Nach 19 h wird die Polymerisation durch Einfrieren des
Reaktionsgemisches in flüssigem Stickstoff und Luftzufuhr abgebrochen. Nach dem
Auftauen wird das Reaktionsgemisch mit ca. 10 ml THF verdünnt und über
Aluminiumoxid filtriert (Eluent: THF). Die Lösungsmittel werden am Rotations-
verdampfer entfernt. Das Rohprodukt wird in ca. 5 ml THF gelöst und in ca. 200 ml
Diethylether bei -50 °C ausgefällt. Das Fällungsmittel wird abgesaugt und das
Polymer unter Feinvakuum getrocknet. Man erhält 0,52 g Poly(N,N-dimethylacryl-
amid) als weißen Feststoff.
Dieser Ansatz entspricht den Einwaagen für die Probe PDM1. Sofern keine anderen
Angaben erfolgen, werden die übrigen ATRP-Ansätze zur Homopolymerisation von
DMAAm analog durchgeführt.
Experimenteller Teil 84
Charakterisierung des Produkts:
I
12
X
N O
4
3
Ausbeute: η = 55 %
1
H-NMR-Spektrum (500 MHz, CDCl
3
):
δ (ppm) = 1,10-1,90 (2H, 1-CH
2
, br); 2,20-2,75 (1H, 2-CH, br); 2,80-3,25 (6H, 3-CH
3
,
4-CH
3
, br)
GPC (Eluent: DMAc, PMMA-Kalibrierung): M
n
= 4300 g/mol, D = 1,25
3.4.5. Synthese von PEG-b-PNIPAAm
Die Synthese der Blockcopolymere aus Ethylenglycol und NIPAAm erfolgt über den
endgruppenmodifizierten PEG-5000-Monomethylether (Abschnitt 3.4.1).
OO
O
Br
O
H
N
OO
O
X
OHN
+
113
113 n
CuBr, Me
6
Tren
iPrOH/H
2
O (v/v 5:1)
0 °C
Endgruppe (X)
Abbildung 3.4-5: Synthese von PEG-b-PNIPAAm
Unmittelbar vor Versuchsbeginn werden das Isopropanol und das Wasser für ca. 20
min mit Argon 5.0 gespült.
Eine Stickstoffvorlage mit Rührfisch und Silikonseptum wird evakuiert und mit Argon
5.0 geflutet. Anschließend werden 27 mg (0,19 mmol) Kupfer(I)-bromid eingewogen
und die Stickstoffvorlage erneut evakuiert und mit Argon 5.0 belüftet. Mit Hilfe einer
Mikroliterspritze werden 51 µl (0,19 mmol) Me
6
Tren zugegeben. Nach ca. 5 min
werden 2,14 g (19 mmol) NIPAAm eingewogen. Danach wird die Stickstoffvorlage
wieder evakuiert und mit Argon 5.0 belüftet. Über eine Spritze werden 5 ml Iso-
Experimenteller Teil 85
propanol und 1 ml Wasser zugegeben. Nachdem das Monomer gelöst ist, zeigt die
Grünfärbung des Reaktionsgemisches die Bildung des Katalysatorkomplexes an. In
einer zweiten Stickstoffvorlage werden unter Argonatmosphäre 0,95 g (0,19 mmol)
des O-(2-Brompropionyl)-PEG-5000-Methylether in 5 ml Isopropanol und 1 ml
Wasser gelöst. Sowohl das ATRP-Reaktionsgemisch als auch die Makroinitiator-
lösung werden durch Einfrieren in flüssigem Stickstoff, Evakuieren und Auftauen
unter Vakuum entgast. Insgesamt wird dieser Zyklus bei beiden Stickstoffvorlagen
dreimal durchgeführt. Anschließend werden beide Stickstoffvorlagen für 10 min bei 0
°C temperiert. Die Polymerisation wird gestartet in dem die PEG-Makroinitiatorlösung
per Spritze zum ATRP-Reaktionsgemisch zugegeben wird. Nach 19 h Rühren bei 0
°C wird die Polymerisation durch Einfrieren in flüssigem Stickstoff und Belüften
abgebrochen. Die Lösungsmittel werden am Rotationsverdampfer entfernt und der
Rückstand in Chloroform gelöst. Der Kupferkomplex wird durch Filtration über
Aluminiumoxid (Eluent: Chloroform) entfernt. Das Chloroform wird am Rotationsver-
dampfer entfernt, das Polymer in ca. 5 bis 10 ml Chloroform gelöst und anschließend
in 200 ml Diethylether bei -50 °C ausgefällt. Das F ällungsmittel wird abgesaugt und
das resultierende Polymer unter Feinvakuum getrocknet. Man erhält 2,19 g PEG-b-
PNIPAAm als weißen Feststoff.
Dieser Ansatz entspricht den Einwaagen für die Probe PEGbPN1. Sofern keine
anderen Angaben erfolgen, werden die übrigen ATRP-Ansätze zur Blockcopoly-
merisation von Ethylenglycol und NIPAAm analog durchgeführt.
Charakterisierung des Produkts:
1
O
2
3
O4
O
6
5
7X
OHN
89
1010
113 n
Ausbeute: η = 71 % (bezogen auf die Polymerisation von NIPAAm)
Experimenteller Teil 86
1
H-NMR-Spektrum (500 MHz, CDCl
3
):
δ (ppm) = 1,00-1,25 (6H
PNIPAAm
, 10-CH
3
, br); 1,25-2,40 (3H
PNIPAAm
, 4H
PEG
, 4-CH, 5-
CH
3
, 6-CH
2
, 7-CH, br); 3,37 (3H
PEG
, 1-CH
3
, br); 3,50-3,80 (476H
PEG
, 2-CH
2
, 3-CH
2
,
br); 4,01 (1H
PNIPAAm
, 9-CH, br); 5,60-7,00 (1H
PNIPPAm
, 5-NH, br)
GPC (Eluent: DMAc, PMMA-Kalibrierung): M
n
= 21700 g/mol, D = 1,17
3.4.6. Synthese von PSKA-b-PNIPAAm
Die Synthese der Blockcopolymere aus SKA und NIPAAm mit Hilfe der ATRP erfolgt
über einen PSKA-Makroinitiator, welcher zuvor ebenfalls über ATRP hergestellt wird.
O
O
O
O
Br
O
O
OO
O
O
EBrIB, CuBr, PMDETA
m
Ph
2
O, 90 °C, 1 h
Br
O
O
OO
O
O
m
OX
O
OO
ON
H
O
O
mn
+
H
N
O
CuBr, Me
6
Tren
iPrOH/H
2
O (v/v 5:1)
0 °C, 19 h Endgruppe (X)
Abbildung 3.4-6: Synthese von PSKA-b-PNIPAAm
Unmittelbar vor Versuchsbeginn werden das SKA, der Diphenylether, das Wasser
und das Isopropanol für ca. 20 min mit Argon 5.0 gespült.
Eine Stickstoffvorlage mit Rührfisch und Silikonseptum wird evakuiert und mit Argon
5.0 geflutet. Im Anschluss werden 20 mg (0,14 mmol) Kupfer(I)-bromid eingewogen.
Die Stickstoffvorlage wird erneut evakuiert und mit Argon 5.0 geflutet. Anschließend
Experimenteller Teil 87
werden 1,2 ml (7 mmol) Solketalacrylat, 2,5 ml Diphenylether und 29 µl (0,14 mmol)
N,N,N‘,N‘‘,N‘‘-Pentamethyldiethylentriamin (PMDETA) zugegeben. Nach kurzem
Rühren bei RT wird die Reaktionsmischung komplett in flüssigem Stickstoff einge-
froren, die Stickstoffvorlage evakuiert und anschließend das Reaktionsgemisch unter
Vakuum aufgetaut. Dieser Zyklus zur Entgasung („freeze, pump, thaw“) wird
anschließend zweimal wiederholt. Zum Schluss wird die Stickstoffvorlage mit Argon
5.0 geflutet und 5 min im Ölbad bei 90 °C temperiert. Die Polymerisation wird durch
Zugabe von 21 µl (0,14 mmol) Ethyl-2-bromisobutyrat (EBrIB) gestartet. Die immer
intensiver werdende Grünfärbung des Reaktionsgemisches zeigt den Fortschritt der
Polymerisation an. Sollte nach der Initiierung eine Blaufärbung des Gemisches
auftreten, so muss das SKA chromatographisch gereinigt werden. Nach 1 h wird die
Polymerisation durch Verdünnen mit ca. 10 ml THF und Luftzufuhr abgebrochen. Der
Kupferkomplex wird durch Filtration über Aluminiumoxid entfernt (Eluent: THF). Die
Lösungsmittel werden am Rotationsverdampfer entfernt und das Polymer nach
Verdünnen mit ca. 5 ml THF in 200 ml n-Hexan bei RT ausgefällt. Dabei scheidet
sich das Polymer als klebriges Öl am Boden ab. Nach Dekantieren der n-Hexan-
Phase wird das Polymer in Diethylether gelöst. Die Lösungsmittel werden am
Rotationsverdampfer entfernt. Eine Probe des PSKA-Polymers wird für die
1
H-NMR-
Spektroskopie und für die Gelpermeationschromatographie vorbereitet. Das restliche
Polymer wird in 4,0 ml Isopropanol gelöst. Im Anschluss werden 0,8 ml Wasser
zugegeben und die PSKA-Makroinitiator-Lösung wird für ca. 20 min Argon 5.0
gespült. Parallel dazu wird ein ATRP-Reaktiongemisch bestehend aus 1,07 g (9,5
mmol) NIPAAm, 27 mg (0,19 mmol) Kupfer(I)-bromid und 51 µl (0,19 mmol) Me
6
Tren
in 2,5 ml Isopropanol und 0,5 ml Wasser gemäß Abschnitt 3.4.3 vorbereitet und
entgast. Das ATRP-Reaktionsgemisch und die PSKA-Makroinitiator-Lösung werden
ca. 10 min bei 0 °C temperiert. Die Polymerisation wird durch Zugabe der
Makroinitiator-Lösung zum ATRP-Reaktionsgemisch gestartet. Nach 16 h Rühren bei
0 °C wird die Polymerisation durch Einfrieren in flüssigem Stickstoff und Luftzufuhr
abgebrochen. Die Lösungsmittel werden am Rotationsverdampfer entfernt und der
Rückstand in ca. 10 ml Chloroform gelöst. Der Kupferkomplex wird durch Filtration
über Aluminiumoxid (Eluent: Chloroform) abgetrennt. Das Chloroform wird am
Rotationsverdampfer entfernt und das Rohprodukt in wenig Chloroform gelöst. Beim
Ausfällen in n-Hexan bei RT bildet sich ein weißer, flockiger Niederschlag. Das
Experimenteller Teil 88
Fällungsmittel wird abgesaugt und das Polymer unter Feinvakuum getrocknet. Man
erhält 1,52 g PSKA-b-PNIPAAm als weißen Feststoff.
Dieser Ansatz entspricht den Einwaagen für die Probe PSKAbPN1. Sofern keine
anderen Angaben erfolgen, werden die übrigen ATRP-Ansätze zur Blockcopoly-
merisation von SKA und NIPAAm analog durchgeführt.
Charakterisierung des Produkts:
1
2
O
4511 12
X
O
33
OO
ON
H
13
67
8
O
O
10
9
14
15
15
mn
1
H-NMR-Spektrum (500 MHz, DMSO-d
6
):
δ (ppm) = 0,90-1,25 (6H
PNIPAAm
, 15-CH
3
, br); 1,27 (3H
PSKA
, 9-CH
3
, br); 1,33 (3H
PSKA
,
10-CH
3
, br); 1,25-2,50 (9H
Initiator
, 3H
PSKA
, 3H
PNIPAAm
, 1-CH
3
, 3-CH
3
, 4-CH
2
, 5-CH, 11-
CH
2
, 12-CH, br); 3,68 (1H
Initiator
, 1H
PSKA
, 2-CH
2
, 6a-CH
2
, br); 3,75-3,90 (2H
PSKA
, 6b-
CH
2
, 8a-CH
2
, br); 3,95-4,10 (1H
PSKA
, 1H
PNIPAAm
, 8b-CH
2
, 14-CH, br); 4,23 (1H
PSKA
, 7-
CH, br); 6,50-8,00 (1H
PNIPAAm
, 13-NH, br)
GPC (Eluent: DMAc, PMMA-Kalibrierung): M
n
= 18200 g/mol, D = 1,35
Das GPC-Elugramm zeigt eine bimodale Verteilung mit geringem Rest an PSKA-
Homopolymerketten, die nach der Hydrolyse abgetrennt werden.
3.4.7. Hydrolyse von PSKA-b-PNIPAAm zu PDHPA-b-PNIPAAm
Aus dem hydrophoben Poly(solketalacrylat)-Block erhält man das hydrophile
Poly(2,3-dihydroxypropylacrylat) (PDHPA) durch saure Acetalspaltung nach einer
Vorschrift von M. Kipping.
225
Experimenteller Teil 89
OX
O
OO
ON
H
O
O
mn
Endgruppe (X)
OX
O
OO
ON
H
OH
OH
mn
Endgruppe (X)
Eisessig
THF/H
2
O
90 °C, 6 h
Abbildung 3.4-7: Hydrolyse von PSKA-b-PNIPAAm zu PDHPA-b-
PNIPAAm
In einem 100-ml-Rundkolben wird 1 g des PSKA-b-PNIPAAm in 15 ml Eisessig und
10 ml THF gelöst und für 6 h bei 90 °C erhitzt. In diesem Zeitraum werden portions-
weise 50 ml entionisiertes Wasser zum Reaktionsgemisch gegeben. Nachdem das
Reaktionsgemisch abgekühlt ist, werden die Lösungsmittel und der Eisessig soweit
wie möglich am Rotationsverdampfer entfernt. Reste an Eisessig werden durch
Dialyse des Polymers gegen Wasser bei Raumtemperatur (Spectra/Por® 6 Dialysis
Membrane MWCO 1000) und anschließende Gefriertrocknung entfernt.
Nach der Synthese von PSKA-b-PNIPAAm zeigt das GPC-Elugramm des Produkts
Reste an nicht reagierten PSKA-Homopolymerketten. Diese Homopolymerketten
werden bei diesem Schritt ebenfalls zu PDHPA-Homopolymerketten hydrolysiert.
Diese Reste an PDHPA werden durch Dialyse des PDHPA-b-PNIPAAm gegen
Wasser bei einer Temperatur von 50 °C über 3 Tage a bgetrennt (Spectra/Por® 6
Dialysis Membrane MWCO 50000). Dabei wird das Wasser zweimal gewechselt.
Charakterisierung des Produkts:
1
2
O
35612 13
X
O
44
OO
ON
H
14
78
9
OH
11
OH
10
15
16
16
mn
Experimenteller Teil 90
1
H-NMR-Spektrum (500 MHz, DMSO-d
6
):
δ (ppm) = 0,90-1,20 (6H
PNIPAAm
, 16-CH
3
, br); 1,20-1,75 (2H
PDHPA
, 2H
PNIPAAm
, 9H
Initiator
,
1-CH
3
, 5-CH
2
, 12-CH
2
, br); 1,75-2,50 (1H
PDHPA
, 1H
PNIPAAm
, 6-CH, 13-CH, br); 3,38
(2H
PDHPA
, 9-CH
2
, br); 3,67 (1H
Initiator
, 1H
PDHPA
, 2-CH
2
, 8-CH, br); 3,80-4,10 (2H
PDHPA
,
1H
PNIPAAm
, 7-CH
2
, 15-CH, br); 4,60 (1H
PDHPA
, 11-OH, br); 4,79 (1H
PDHPA
, 10-OH, br);
6,75-7,75 (1H
PNIPAAm
, 14-NH, br)
3.4.8. Synthese von PNIPAAm-b-PDMAAm
Die Synthese der Blockcopolymere aus N-Isopropylacrylamid und N,N-Dimethylacryl-
amid erfolgt durch sequentielle Monomerzugabe bei der ATRP.
H
N
O
Br
O
O
ONH
O
O
ONH
X
ON
MBP, CuBr, Me
6
Tren
iPrOH/H
2
O (v/v 5:1)
0 °C, 18 h
N
O
m
mn
CuBr
Me
6
Tren
iPrOH/H
2
O (v/v 5:1)
0 °C, 1 h
Endgruppe (X)
Abbildung 3.4-8: Synthese von PNIPAAm-b-PDMAAm
Eine Stickstoffvorlage mit Rührfisch und Silikonseptum wird evakuiert und mit Argon
5.0 geflutet. Anschließend werden 27 mg (0,19 mmol) Kupfer(I)-bromid eingewogen
und die Stickstoffvorlage erneut evakuiert und mit Argon 5.0 belüftet. Mit Hilfe einer
Mikroliterspritze werden 51 µl (0,19 mmol) Me
6
Tren zugegeben. Nach ca. 5 min
werden 1,07 g (9,5 mmol) NIPAAm eingewogen. Danach wird die Stickstoffvorlage
wieder evakuiert und mit Argon 5.0 belüftet. Über eine Spritze werden 5 ml Iso-
Experimenteller Teil 91
propanol und 1 ml Wasser zugegeben. Nachdem das Monomer gelöst ist, zeigt die
Grünfärbung des Reaktionsgemisches die Bildung des Katalysatorkomplexes an.
Das ATRP-Reaktionsgemisch wird durch Einfrieren in flüssigem Stickstoff,
Evakuieren und Auftauen unter Vakuum entgast. Insgesamt wird dieser Zyklus
dreimal durchgeführt. Anschließend wird die Stickstoffvorlage für 10 min bei 0 °C
temperiert. Die Polymerisation wird durch Zugabe von 21 µl (0,19 mmol) Methyl-2-
brompropionat (MBP) gestartet und für 1 h bei 0 °C gerührt. Währenddessen wird
eine ATRP-Reaktionslösung bestehend aus 0,98 ml (9,5 mmol) N,N-Dimethylacryl-
amid, 27 mg (0,19 mmol) Kupfer(I)-bromid und 51 µl (0,19 mmol) Me
6
Tren in 2,5 ml
Isopropanol und 0,5 ml Wasser entsprechend Abschnitt 3.4.4 vorbereitet und
entgast. Nach 1 h wird aus dem PNIPAAm-ATRP-Reaktionsgemisch ein Aliquot von
ca. 0,2 ml für die
1
H-NMR-Spektroskopie und Gelpermeationschromatographie ent-
nommen. Anschließend wird die vorbereitete DMAAm-ATRP-Reaktionslösung direkt
zum PNIPAAm-ATRP-Reaktionsgemisch über eine Spritze zugegeben. Nach 18 h
Rühren bei 0 °C wird die Polymerisation durch Einfrieren in flüssigem Stickstoff und
Belüften abgebrochen. Die Lösungsmittel werden am Rotationsverdampfer entfernt
und der Rückstand in Chloroform gelöst. Der Kupferkomplex wird durch Filtration
über Aluminiumoxid (Eluent: Chloroform) entfernt. Das Chloroform wird am
Rotationsverdampfer entfernt, das Polymer in ca. 5 bis 10 ml Chloroform gelöst und
anschließend in 200 ml Diethylether bei -50 °C ausgefällt. Das Fällungsmittel wird
abgesaugt und das resultierende Polymer unter Feinvakuum getrocknet. Man erhält
1,21 g PNIPAAm-b-PDMAAm als weißen Feststoff.
Dieser Ansatz entspricht den Einwaagen für die Probe PNbPDM2. Sofern keine
anderen Angaben erfolgen, werden die übrigen ATRP-Ansätze zur Blockcopoly-
merisation von NIPAAm und DMAAm analog durchgeführt.
Um Reste an PNIPAAm-Homopolymerketten, die durch Endgruppenverlust nicht zu
Blockcopolymeren weiterreagiert haben, zu entfernen, wird das Blockcopolymer in
entionisiertem Wasser gelöst und bei ca. 50 °C zent rifugiert. Die überstehende
wässrige Lösung enthält das Blockcopolymer. Der abzentrifugierte Feststoff besteht
vorwiegend aus dem PNIPAAm-Homopolymer. Dieser Vorgang wird solange wieder-
holt, bis beim Erwärmen der wässrigen Blockcopolymer-Lösung keine Trübung mehr
zu beobachten ist. Anschließend wird das Wasser durch Gefriertrocknung entfernt.
Experimenteller Teil 92
Charakterisierung des Produkts:
2459
O
O
3
1
ONH
6
7
88
10
X
ON
11
12
mn
1
H-NMR-Spektrum (500 MHz, CDCl
3
):
δ (ppm) = 1,14 (6H
PNIPAAm
, 8-CH
3
, br); 1,10-2,75 (3H
PDMAAm
, 3H
PNIPAAm
, 4-CH
2
, 5-CH,
9-CH
2
, 10-CH, br); 2,75-3,20 (6H
PDMAAm
, 11-CH
3
, 12-CH
3
, br); 3,66 (3H
Initiator
, 1-CH
3
,
br); 4,00 (1H
PNIPAAm
, 7-CH, br); 3,80-4,10 (2H
PDHPA
, 1H
PNIPAAm
, 7-CH
2
, 15-CH, br);
4,60 (1H
PDHPA
, 11-OH, br); 5,50-7,00 (1H
PNIPAAm
, 14-NH, br)
GPC (Eluent: DMAc, PMMA-Kalibrierung): M
n
= 13900 g/mol, D = 1,24
Experimenteller Teil 93
3.4.9. Copolymerisation von N-Isopropylacrylamid mit dem
geschützten trans-4-Methacryloyloxy-
L
-prolin
H
N
O
O
ONO
O
OO
X
ONH
OON
O
O
O
O
n mco
O
O
MBP, CuBr, Me
6
Tren
iPrOH/H
2
O (v/v 5:1)
0 °C, 2 h
Endgruppe (X)
+
Abbildung 3.4-9: kontrollierte radikalische Copolymerisation von
NIPAAm mit dem geschützten trans-4-
Methacryloyloxy-
L
-prolin
Der Einbau des
L
-Prolin-Katalysators in die Polymerkette erfolgt durch eine kontrol-
lierte radikalische Copolymerisation von N-Isopropylacrylamid mit dem geschützten
trans-4-Methacryloyloxy-
L
-prolin.
Eine Stickstoffvorlage mit Rührfisch und Silikonseptum wird evakuiert und mit Argon
5.0 geflutet. Es werden 27 mg (0,19 mmol) Kupfer(I)-bromid eingewogen.
Anschließend wird die Stickstoffvorlage evakuiert und mit Argon 5.0 belüftet. Es
werden über eine Mikroliterspritze 51 µl (0,19 mmol) Me
6
Tren zugegeben. Nach ca. 5
min werden 1,07 g (9,50 mmol) NIPAAm eingewogen und die Stickstoffvorlage
danach erneut evakuiert und mit Argon 5.0 belüftet. Im Anschluss wird eine Lösung
von 0,40 g (1,10 mmol) N-tert-Butyloxycarbonyl-O-methacryloyl-trans-4-hydroxy-
L
-
prolin-tert-butylester (MAOLP(Boc,tBu)) in 2,5 ml Isopropanol und 0,5 ml Wasser
über eine Spritze zugegeben. Die Bildung des Katalysatorkomplexes ist an der
Grünfärbung des Reaktionsgemisches erkennbar. Das Reaktionsgemisch wird durch
Experimenteller Teil 94
Einfrieren in flüssigem Stickstoff, Evakuieren und Auftauen unter Vakuum entgast.
Dieser Zyklus wird insgesamt dreimal wiederholt. Zum Schluss wird die
Stickstoffvorlage mit Argon 5.0 geflutet und 10 min bei 0 °C temperiert. Die
Polymerisation wird durch Zugabe von 21 µl (0,19 mmol) Methyl-2-brompropionat
(MBP) gestartet. Nach 2 h wird die Polymerisation durch Einfrieren des
Reaktionsgemisches in flüssigem Stickstoff und Luftzufuhr abgebrochen. Nach dem
Auftauen wird das Reaktionsgemisch mit ca. 10 ml THF verdünnt und über
Aluminiumoxid filtriert (Eluent: THF). Die Lösungsmittel werden am Rotations-
verdampfer entfernt. Das Rohprodukt wird in ca. 5 ml THF gelöst und in ca. 200 ml n-
Hexan bei RT ausgefällt. Das Fällungsmittel wird abgesaugt und das Polymer unter
Feinvakuum getrocknet. Man erhält 0,69 g P(NIPAAm-co-MAOLP(Boc,tBu)) als
feines, weißes Pulver.
Diese Ansatz entspricht den Einwaagen für die Probe PNcoMAOLP(g). Sofern keine
anderen Angaben erfolgen, werden die übrigen ATRP-Ansätze zur Copolymerisation
von NIPAAm mit MAOLP(Boc,tBu) analog durchgeführt.
Charakterisierung des Produkts:
2459
X
ONH
6
7
88
O
10
O
11
14
N
13
12
O
O
O
16
16
16
15
15
15
O
n mco
O
O
3
1
Ausbeute: η = 47 %
1
H-NMR-Spektrum (500 MHz, DMSO-d
6
):
δ (ppm) = 1,07 (6H
PNIPAAm
, 8-CH
3
, br); 0,80-2,50 (25H
PMAOLP(Boc,tBu)
, 3H
PNIPAAm
, 4-CH
2
,
5-CH, 9-CH
2
, 10-CH
3
, 12-CH
2
, 15-CH
3
, 16-CH
3
, br); 3,60 (2H
PMAOLP(Boc,tBu)
, 14-CH
2
,
b); 3,85 (1H
PNIPAAm
, 7-CH, br); 4,13 (1H
PMAOLP(Boc,tBu)
, 13-CH, br); 5,03 (1H
PMAOLP(Boc,tBu)
, 11-CH, br); 6,70-7,80 (1H
PNIPAAm
, 6-NH, br)
GPC (Eluent: DMAc, PMMA-Kalibrierung): M
n
= 9600 g/mol, D = 1,16
Experimenteller Teil 95
3.4.10. Synthese von PEG-b-P(NIPAAm-co-MAOLP(Boc,tBu))
Die Synthese des sensitiven Blockcopolymers mit PEG als hydrophilem Block erfolgt
durch ATRP mit Hilfe des modifizierten PEG-5000-Makroinitiators (vgl. Abschnitt
3.4.1) in Anwesenheit von NIPAAm und des geschützten trans-4-Methacryloyloxy-
L
-
prolins.
H
N
O
O
ONO
O
OO
X
ONH
OON
O
O
O
O
n mco
CuBr, Me
6
Tren
iPrOH/H
2
O (v/v 5:1)
0 °C, 18 h
Endgruppe (X)
OO
O
Br
113
+
OO
O
113
Abbildung 3.4-10: Synthese von PEG-b-P(NIPAAm-co-PMAOLP(Boc,tBu))
Eine Stickstoffvorlage mit Rührfisch und Silikonseptum wird evakuiert und mit Argon
5.0 geflutet. Anschließend werden 27 mg (0,19 mmol) Kupfer(I)-bromid eingewogen
und die Stickstoffvorlage erneut evakuiert und mit Argon 5.0 belüftet. Mit Hilfe einer
Mikroliterspritze werden 51 µl (0,19 mmol) Me
6
Tren zugegeben. Nach ca. 5 min
werden 1,07 g (9,5 mmol) NIPAAm und 0,40 g (1,1 mmol) MAOLP(Boc,tBu)
eingewogen. Danach wird die Stickstoffvorlage wieder evakuiert und mit Argon 5.0
belüftet. Über eine Spritze werden 2,5 ml Isopropanol und 0,5 ml Wasser zugegeben.
In einer zweiten Stickstoffvorlage werden unter Argonatmosphäre 0,95 g (0,19 mmol)
des O-(2-Brompropionyl)-PEG-5000-Methylether in 5 ml Isopropanol und 1 ml
Wasser gelöst. Sowohl das ATRP-Reaktionsgemisch als auch die Makroinitiator-
Experimenteller Teil 96
lösung werden durch Einfrieren in flüssigem Stickstoff, Evakuieren und Auftauen
unter Vakuum entgast. Insgesamt wird dieser Zyklus bei beiden Stickstoffvorlagen
dreimal durchgeführt. Anschließend werden beide Stickstoffvorlagen für 10 min bei 0
°C temperiert. Die Polymerisation wird gestartet in dem die PEG-Makroinitiatorlösung
per Spritze zum ATRP-Reaktionsgemisch zugegeben wird. Nach 18 h Rühren bei 0
°C wird die Polymerisation durch Einfrieren in flüssigem Stickstoff und Belüften
abgebrochen. Die Lösungsmittel werden am Rotationsverdampfer entfernt und der
Rückstand in Chloroform gelöst. Der Kupferkomplex wird durch Filtration über
Aluminiumoxid (Eluent: Chloroform) entfernt. Das Chloroform wird am Rotationsver-
dampfer entfernt, das Polymer in ca. 5 bis 10 ml Chloroform gelöst und anschließend
in 200 ml Diethylether bei -50 °C ausgefällt. Das F ällungsmittel wird abgesaugt und
das resultierende Polymer unter Feinvakuum getrocknet. Man erhält PEG-b-
P(NIPAAm-co-MAOLP(Boc,tBu)) als weißen Feststoff (1,35 g).
Dieser Ansatz entspricht den Einwaagen für die Probe PEGb(PNcoMAOLP(g)).
Charakterisierung des Produkts:
46711
X
ONH
8
9
1010
O
12
O
13
16
N
15
14
O
O
O
18
18
18
17
17
17
O
n mco
5
1
O
2
3
O
O
113
Ausbeute: η = 56 %
1
H-NMR-Spektrum (500 MHz, DMSO-d
6
):
δ (ppm) = 1,07 (6H
PNIPAAm
, 10-CH
3
, br); 0,80-2,50 (25H
PMAOLP(Boc,tBu)
, 3H
PNIPAAm
,
3H
Initiator
, 5-CH
3
, 6-CH
2
, 7-CH, 11-CH
2
, 12-CH
3
, 14-CH
2
, 17-CH
3
, 18-CH
3
, br); 3,20-
3,70 (2H
PMAOLP(Boc,tBu)
, 455H
PEG
, 1H
Initiator
, 1-CH
3
, 2-CH
2
, 3-CH
2
, 4-CH, 14-CH
2
, br);
3,85 (1H
PNIPAAm
, 9-CH, br); 4,13 (1H
PMAOLP(Boc,tBu)
, 15-CH, br); 5,06 (1H
PMAOLP(Boc,tBu)
,
13-CH, br); 6,70-7,80 (1H
PNIPAAm
, 6-NH, br)
GPC (Eluent: DMAc, PMMA-Kalibrierung): M
n
= 15300 g/mol, D = 1,16
Experimenteller Teil 97
3.4.11. Synthese von P(NIPAAm-co-MAOLP(Boc,tBu))-b-PDMAAm
Die Synthese des sensitiven Blockcopolymers mit PDMAAm als hydrophilem Block
erfolgt durch ATRP mit sequenzieller Monomerzugabe analog zu der Synthese von
PNIPAAm-b-PDMAAm (vgl. Abschnitt 3.4.8).
H
N
O
MBP, CuBr, Me
6
Tren
iPrOH/H
2
O (5:1)
0 °C, 18 h
N
O
CuBr
Me
6
Tren
iPrOH/H
2
O (5:1)
0 °C, 50 min
Endgruppe (X)
O
ONO
O
OO
+
Br
ONH
OON
O
O
O
O
n mco
O
O
ONH
OO
N
O
O
O
O
n mco
O
O
X
ON
o
Abbildung 3.4-11: Synthese von P(NIPAAm-co-MAOLP(Boc,tBu))-b-
PDMAAm
Eine Stickstoffvorlage mit Rührfisch und Silikonseptum wird evakuiert und mit Argon
5.0 geflutet. Anschließend werden 27 mg (0,19 mmol) Kupfer(I)-bromid eingewogen
und die Stickstoffvorlage erneut evakuiert und mit Argon 5.0 belüftet. Mit Hilfe einer
Mikroliterspritze werden 51 µl (0,19 mmol) Me
6
Tren zugegeben. Nach ca. 5 min
werden 1,07 g (9,5 mmol) NIPAAm und 0,40 g (1,1 mmol) MAOLP(Boc,tBu)
eingewogen. Danach wird die Stickstoffvorlage wieder evakuiert und mit Argon 5.0
belüftet. Über eine Spritze werden 2,5 ml Isopropanol und 0,5 ml Wasser zugegeben.
Das ATRP-Reaktionsgemisch wird durch Einfrieren in flüssigem Stickstoff,
Evakuieren und Auftauen unter Vakuum entgast. Insgesamt wird dieser Zyklus
Experimenteller Teil 98
dreimal durchgeführt. Anschließend wird die Stickstoffvorlage für 10 min bei 0 °C
temperiert. Die Polymerisation wird durch Zugabe von 21 µl (0,19 mmol) Methyl-2-
brompropionat (MBP) gestartet und für 50 min bei 0 °C gerührt. Währenddessen wird
eine ATRP-Reaktionslösung bestehend aus 1,96 ml (19,0 mmol) N,N-Dimethylacryl-
amid, 27 mg (0,19 mmol) Kupfer(I)-bromid und 51 µl (0,19 mmol) Me
6
Tren in 2,5 ml
Isopropanol und 0,5 ml Wasser entsprechend Abschnitt 3.4.4 vorbereitet und
entgast. Nach 1 h wird aus dem ATRP-Reaktionsgemisch ein Aliquot von ca. 0,2 ml
für die
1
H-NMR-Spektroskopie und Gelpermeationschromatographie entnommen.
Anschließend wird die vorbereitete DMAAm-ATRP-Reaktionslösung direkt zum
ATRP-Reaktionsgemisch über eine Spritze zugegeben. Nach 18 h Rühren bei 0 °C
wird die Polymerisation durch Einfrieren in flüssigem Stickstoff und Belüften
abgebrochen. Die Lösungsmittel werden am Rotationsverdampfer entfernt und der
Rückstand in Chloroform gelöst. Der Kupferkomplex wird durch Filtration über
Aluminiumoxid (Eluent: Chloroform) entfernt. Das Chloroform wird am Rotationsver-
dampfer entfernt, das Polymer in ca. 5 bis 10 ml Chloroform gelöst und anschließend
in 200 ml Diethylether bei -50 °C ausgefällt. Das F ällungsmittel wird abgesaugt und
das resultierende Polymer unter Feinvakuum getrocknet. Man erhält 1,81 g
P(NIPAAm-co-MAOLP(Boc,tBu))-b-PDMAAm als grünlich gefärbten Feststoff.
Um Reste an P(NIPAAm-co-MAOLP(Boc,tBu))-Copolymerketten, die durch Endgrup-
penverlust nicht zu Blockcopolymeren weiterreagiert haben, zu entfernen, wird das
Blockcopolymer in entionisiertem Wasser gelöst und bei ca. 50 °C zentrifugiert. Die
überstehende wässrige Lösung enthält das Blockcopolymer. Am Boden des
Zentrifugenröhrchens setzt sich ein grüner Feststoff ab. Die überstehende Lösung
wird vorsichtig abdekantiert. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis beim
Erwärmen der wässrigen Blockcopolymer-Lösung keine Trübung mehr zu
beobachten ist. Anschließend wird das Wasser durch Gefriertrocknung entfernt.
Experimenteller Teil 99
Charakterisierung des Produkts:
2459
ONH
6
78
8
O
10
O
11
14
N
13
12
O
O
O
16
16
16
15
15 15
O
n mco
O
O
3
117 18
X
ON
19
19
o
Ausbeute: η = 54 %
1
H-NMR-Spektrum (500 MHz, DMSO-d
6
):
δ (ppm) = 1,07 (6H
PNIPAAm
, 8-CH
3
, br); 0,80-2,65 (25H
PMAOLP(Boc,tBu)
, 3H
PNIPAAm
,
3H
PDMAAm
, 5H
Initiator
, 2-CH, 3-CH
3
, 4-CH
2
, 5-CH, 9-CH
2
, 10-CH
3
, 12-CH
2
, 15-CH
3
, 16-
CH
3
, 17-CH
2
, 18-CH, br); 2,70-3,20 (6H
PDMAAm
, 19-CH
3
, br); 3,57 (2H
PMAOLP(Boc,tBu)
,
3H
Initiator
, 1-CH
3
, 14-CH
2
, br); 3,85 (1H
PNIPAAm
, 7-CH, br); 4,13 (1H
PMAOLP(Boc,tBu)
, 13-
CH, br); 5,06 (1H
PMAOLP(Boc,tBu)
, 11-CH, br); 6,70-7,80 (1H
PNIPAAm
, 6-NH, br)
GPC (Eluent: DMAc, PMMA-Kalibrierung): M
n
= 19900 g/mol, D = 1,26
3.4.12. Polymeranaloges Entschützen der Amino- und der
Carboxylgruppe
Um die Wirksamkeit des polymergebundenen trans-4-Hydroxy-
L
-prolin-Katalysators
untersuchen zu können, muss zunächst die Boc-Schutzgruppe und der tert-Butyl-
ester entfernt werden. Die Wahl dieser Schutzgruppen sollte es ermöglichen, beide
Gruppen in einem Syntheseschritt mit Hilfe von Trifluoressigsäure (TFA) zu ent-
fernen.
Experimenteller Teil 100
N
OO
O
O
OON
H
OO
OH
O
TFA
CH
2
Cl
2
, RT, 2 h
Abbildung 3.4-12: Entfernen der Schutzgruppen mit TFA
Polymeranaloges Entschützen der Amino- und Carboxylgruppen bei P(NIPAAm-
co
-
MAOLP(Boc,
t
Bu)), PEG-
b
-P(NIPAAm-
co
-MAOLP(Boc,
t
Bu)) und P(NIPAAm-
co
-
MAOLP(Boc,
t
Bu))-
b
-PDMAAm:
In einem ausgeheizten 25-ml-Rundkolben werden unter Argonatmosphäre 0,5 g des
Polymers in 4 ml Dichlormethan p.a. gelöst. Anschließend werden 4 ml TFA zugege-
ben und das Gemisch für 2 h bei Raumtemperatur gerührt. Danach werden das
Dichlormethan und die TFA am Rotationsverdampfer soweit wie möglich entfernt.
Der Rückstand wird in ca. 5 ml Dichlormethan p.a. aufgenommen und in ca. 250 ml
n
-Hexan ausgefällt. Dabei setzt sich das Polymer als klebriger Rückstand am Boden
ab. Das überstehende
n
-Hexan/TFA-Gemisch wird dekantiert und das Polymer in
Dichlormethan p.a. gelöst. Nach Entfernen aller Lösungsmittel unter reduziertem
Druck wird das Polymer in ca. 20-30 ml entionisiertem Wasser gelöst und
anschließend einer Gefriertrocknung unterzogen. Man erhält das entschützte
Polymer als weißen Feststoff.
Die erzielten Ausbeuten liegen je nach Art des Copolymers zwischen 83 und 99 %.
Charakterisierung des Produkts:
2459
X
ONH
6
7
88
O
10
O
11
14
NH
13
12
OH
O
n mco
O
O
3
1
1
H-
NMR
-Spektrum (500 MHz, DMSO-d
6
):
δ
(ppm) = 1,06 (6H
PNIPAAm
, 8-CH
3
, br); 0,80-2,50 (7H
PMAOLP
, 7H
PNIPAAm
, 2-CH, 3-CH
3
,
4-CH
2
, 5-CH, 9-CH
2
, 10-CH
3
, 12-CH
2
, br); 3,58 (2H
PMAOLP
, 3H
PNIPAAm
, 1-CH
3
, 14-
Experimenteller Teil 101
CH
2
, br); 3,86 (1H
PNIPAAm
, 7-CH, br); 4,12 (1H
PMAOLP
, 13-CH, br); 5,05 (1H
PMAOLP
, 11-
CH, br); 6,70-7,80 (1H
PNIPAAm
, 6-NH, br)
GPC (Eluent: DMAc, PMMA-Kalibrierung): M
n
= 11000 g/mol, D = 1,29
3.5. Temperaturinduzierte Aggregation
Vor den Messungen zur dynamischen Lichtstreuung werden die Polymerlösungen
mit einer Konzentrationen von 5 g/l über Nacht bei Raumtemperatur gerührt, um das
Polymer vollständig zu lösen. Anschließend werden die Polymerlösungen durch
einen PTFE-Filter (0,45 µm Porengröße) von Verunreinigungen befreit. Bei den Mes-
sungen zur Temperaturabhängigkeit der dynamischen Lichtstreuung beträgt die
Zeitspanne zur Gleichgewichtseinstellung bei jeder Temperatur 5 min. Bei jedem
Messpunkt werden nacheinander drei Messungen durchgeführt, um statistische
Aussagen über den Fehlerbereich der Ergebnisse treffen zu können und um
einzuschätzen, in wie weit sich das Aggregationsgleichgewicht eingestellt hat.
Um die Aggregation der P(NIPAAm-co-MAOLP)-b-PDMAAm zu verbessern, wird den
Proben vor der DLS-Messung p-Nitropbenzaldehyd (5 mg pro ml Polymerlösung)
zugesetzt. Der Aldehyd löst sich bei niedrigen Temperaturen nicht in Wasser, sodass
ein heterogenes Gemisch ensteht.
3.6. Asymmetrische Organokatalyse
Für die homogene Katalyse werden 50 mg P(NIPAAm-co-MAOLP) Copolymer bzw.
4,1 mg (0,031 mmol) trans-4-Hydroxy-
L
-prolin sowie 47 mg (0,31 mmol) p-Nitrobenz-
aldehyd eingewogen und in 0,94 ml DMSO gelöst. Im Anschluss werden 0,06 ml
Wasser und 0,16 ml (1,55 mmol) Cyclohexanon zugegeben. Das Gemisch wird bei
RT gerührt, wobei nach definierten Zeitabständen jeweils 0,05 ml aus dem Gemisch
entnommen und mit Hilfe der
1
H-NMR-Spektroskopie untersucht werden.
Für die heterogene Katalyse werden ebenfalls 50 mg P(NIPAAm-co-MAOLP)
Copolymer bzw. 4,1 mg (0,031 mmol) trans-4-Hydroxy-
L
-prolin sowie 47 mg (0,31
mmol) p-Nitrobenzaldehyd eingewogen und in 1 ml Wasser vollständig gelöst.
Daraufhin erfolgt die Zugabe von 47 mg (0,31 mmol) p-Nitrobenzaldehyd. Nach 10
min Rühren bei RT werden dem Gemisch 0,16 ml (1,55 mmol) Cyclohexanon zuge-
Experimenteller Teil 102
setzt. Das heterogene Gemisch wird bei RT gerührt, wobei nach definierten
Zeitabständen jeweils 0,05 ml aus dem Gemisch entnommen und mit Hilfe der
1
H-
NMR-Spektroskopie untersucht werden.
Für die mikroheterogene Katalyse werden 50 mg P(NIPAAm-co-MAOLP)-b-
PDMAAm vollständig in 3 ml Wasser gelöst. Im Anschluss werden 16 mg (0,11
mmol) p-Nitrobenzaldehyd zugebenen. Das Gemisch wird für 10 min bei der
jeweilgen Temperatur gerührt. Dann erfolgt die Zugabe von 0,06 ml (0,52 mmol)
Cyclohexanon. Das Gemisch wird bei der entsprechenden Temperatur gerührt,
wobei nach definierten Zeitabständen jeweils 0,05 ml aus dem Gemisch entnommen
und mit Hilfe der
1
H-NMR-Spektroskopie untersucht werden.
Die Umsatz an p-Nitrobenzaldehyd sowie das Diastereomerenverhältnis zwischen
syn- und anti-Addukt werden über
1
H-NMR-Spektroskopie direkt aus der Reaktions-
lösung ermittelt. Die Isolierung und Trennung der beiden Diastereomere scheitert
bislang an den geringen Absolutmengen der Produkte. Die Charakterisierung der
verschiedenen Stereoisomere des 2-(Hydroxy(4-nitrophenyl)methyl)-cyclohexanons
über NMR-Spektroskopie wurde bereits in der Literatur beschrieben.
226
Während in
der Literatur ausschließlich CDCl
3
als deuteriertes Lösungsmittel verwendet wird,
kommt es in DMSO-d
6
erwartungsgemäß zu einer Verschiebung der Signale. Der
Umsatz an p-Nitrobenzaldehyd wird aus dem Verhältnis der Signale für die
aromatischen Protonen im Edukt bei 8,42 ppm und Produkt bei 7,61 ppm berechnet.
Das Diastereomerenverhältnis kann aus den Signalen der Protonen in der Hydroxy-
gruppe (syn: 5,45 ppm, anti: 5,52 ppm) oder des Methin-Protons (syn: 5,23 ppm, anti:
5,09 ppm) berechnet werden.
Auswertung und Diskussion 103
4. A
USWERTUNG UND
D
ISKUSSION
Die Synthese der stimuli-sensitiven Blockcopolymere als Träger für den
L
-Prolin-
Katalysator erfordert zunächst die Herstellung und Charakterisierung geeigneter
Monomere und Liganden als niedermolekulare Verbindungen für den Fall, dass diese
nicht kommerziell erhältlich sind. Im zweiten Schritt müssen optimale Bedingungen
zur kontrollierten Homopolymerisation der jeweiligen Monomere gefunden werden.
Anschließend müssen die stimuli-sensitiven Blockcopolymere synthetisiert und
charakterisiert werden. Die Immobilisierung des
L
-Prolin-Katalysators im sensitiven
Block erfolgt durch kontrollierte radikalsiche Copolymerisation. Abschließend müssen
das Aggregationsverhalten der stimuli-sensitiven Blockcopolymere und deren
katalytische Wirksamkeit untersucht werden.
4.1. Synthese der niedermolekularen Verbindungen
Synthese des Me
6
Tren-Liganden:
NNN
N
NNH
2
H
2
N
NH
2
HCHO, HCOOH, H2O
90 °C, 18 h
(64 %)
Abbildung 4.1-1: Synthese des Me
6
Tren-Liganden
Die Synthese des vierzähnigen Liganden Me
6
Tren wurde ausgehend von Tris(2-
aminoethyl)amin über eine Leuckert-Wallach-Reaktion durchgeführt. Dabei fungiert
der Formaldehyd als Methylierungsreagenz. Das intermediär gebildete Imin bzw.
Immoniumion wird durch die Ameisensäure über einen sechsgliedrigen Übergangs-
zustand zum methylierten Amin reduziert. Die Charakterisierung des Produkts,
besonders im Hinblick auf vollständige Methylierung, erfolgte mit Hilfe der
1
H- und
13
C-NMR-Spektroskopie. Die Produktausbeute nach der Destillation unter Feinvaku-
um ist mit 64 % etwas geringer als in der Literatur beschrieben.
218
Auswertung und Diskussion 104
Synthese des Solketalacrylat-Monomers:
OH
OH
HO
+
O
O
O
HO
p-TSA
CHCl
3
8 h, reflux
(87 %)
O
O
HO
+
Cl
OO
O
O
O
TEA
CH
2
Cl
2
48 h, RT
(68 %)
Abbildung 4.1-2: zweistufige Synthese des Solketalacrylats
Das Solketalacrylat-Monomer konnte über eine zweistufige Synthese ausgehend
Glycerin, Aceton und Acryloylchlorid hergestellt werden. In der ersten Stufe wurden
zwei benachbarte Hydroxylgruppen des Glycerins unter saurer Katalyse mit Aceton
acetalisiert. Im Anschluss wurde die noch freie Hydroxylgruppe mit Acryloychlorid
verestert. Nach Destillation unter Feinvakuum wurde das Solketalacrylat schließlich
in einer Gesamtausbeute von 59 % erhalten und liegt somit im Bereich der in der
Literatur beschriebenen Ausbeuten.
219,220
Mit Hilfe der
1
H- und
13
C-NMR-
Spektroskopie konnte das Solketalacrylat identifiziert und dessen Reinheit
nachgewiesen werden. Dennoch kann eine weitere säulenchromatographische
Reinigung des Solketalacrylat-Monomers nötig sein, wenn bei der ATRP keine oder
nur sehr niedrige Umsätze zu verzeichnen sind. Diese flash-Chromatographie wurde
an Kieselgel mit einem Gemisch aus Ethylacetat und
n
-Hexan im Verhältnis 3:7 als
Eluent durchgeführt, wobei die Produktfraktion bei einem R
f
-Wert von 0,4 beobachtet
wurde. Die
1
H-NMR-Spektren des SKA-Monomers vor und nach der Säulen-
chromatographie zeigten keine Unterschiede.
Synthese des geschützten
trans
-4-Methacryloyloxy-
L
-prolin-Monomers:
Das Potenzial von Derivaten des
L
-Prolins mit Acryloyl- oder Methacryloyl-Seiten-
ketten hinsichtlich der Immobilisierung des Organokatalysators ist bereits seit einigen
Jahrzehnten bekannt. Einen Ausgangspunkt für die Funktionalisierung bietet die
Hydroxylgruppe des
trans
-4-Hydroxy-
L
-prolins. Die Synthese eines O-Acryloyl- bzw.
O-Methacryloyl-funktionalisierten
trans
-4-Hydroxy-
L
-prolins birgt jedoch verschiedene
Auswertung und Diskussion 105
Herausforderungen. Zunächst ist die Löslichkeit des trans-4-Hydroxy-
L
-prolins auf-
grund seiner hohen Polarität in den üblichen nichtwässrigen Medien verschwindend
gering. Zudem sind die Derivate des trans-4-(Meth)acryloyloxy-
L
-prolins mit freier
Aminofunktion sehr anfällig gegenüber einer konjugierten Addition des Amins an die
α,β-ungesättigte Carbonylverbindung. Auch im Hinblick auf den späteren Einsatz des
Monomers bei der ATRP muss man demzufolge sowohl die Amino- als auch die
Carboxylgruppe schützen. Dabei sollten die Schutzgruppen später in einer polymer-
analogen Reaktion möglichst simultan und quantitativ entfernt werden können.
N
H
HO
O
OH
+
Cl
ON
H
2
OO
OH
O
CF
3
CO
2
H, CF
3
SO
3
H
3 h, RT
(37 %) Cl
N
H
2
OO
OH
O
Cl
N
OO
OH
O
OO
Boc
2
O, TEA
CH
2
Cl
2
30 min, reflux
(69 %)
N
OO
OH
O
OO
N
OO
O
O
OO
DMF-Dineopentylacetal,
t-BuOH
Toluol, reflux, 7 h
(47 %)
Abbildung 4.1-3: dreistufige Synthese des geschützten trans-4-
Methacryloyloxy-
L
-prolins
Die Forschungsgruppe um Tore Hansen konnte zeigen, dass die üblichen Methoden
zur Funktionalisierung von α-Aminosäuren bei trans-4-Hydroxy-
L
-prolin nicht
anwendbar sind. Deshalb entwickelten sie eine Methode zur direkten O-Acylierung
des trans-4-Hydroxy-
L
-prolins mit (Meth)acrylsäurechloriden ohne Schutzgruppen
und aufwendige Reinigung von Zwischenprodukten.
227
Dabei wird das trans-4-
Hydroxy-
L
-prolin in Trifluoressigsäure gelöst und in Anwesenheit von Trifluormethan-
Auswertung und Diskussion 106
sulfonsäure mit Acrylsäure- oder Methacrylsäurechlorid umgesetzt. Als Produkt erhält
man das kristalline Hydrochlorid des trans-4-Methacryloyloxy-
L
-prolins, welches auch
stabiler gegenüber der konjugierten Addition ist. Mit dieser Methode konnte das
trans-4-Methacryloyloxy-
L
-prolin erfolgreich synthetisiert werden. Die Charakteri-
sierung des Produkts erfolgte mit Hilfe der
1
H- und
13
C-NMR-Spektroskopie. In einer
zweiten Stufe konnte anschließend das sekundäre Amin mit einer tert-
Butyloxycarbonyl-Schutzgruppe versehen werden. Der Erfolg dieser Reaktion konnte
abermals mit Hilfe der
1
H- und
13
C-NMR-Spektroskopie belegt werden.
Im letzten Syntheseschritt sollte nun auch die Carboxylgruppe als tert-Butylester ge-
schützt werden. Eine klassische Veresterung in tert-Butanol mit Zink(II)-chlorid als
Katalysator und 4Å-Molekularsieb als wasserentziehendes Mittel, wie sie im
Organikum
228
beschrieben wird, scheiterte jedoch, da es bei diesen Bedingungen
bereits zur anteiligen Polymerisation über die Methacrylat-Gruppen kam. Auch eine
Umesterung mit tert-Butylacetat in Anwesenheit von Perchlorsäure führte nicht zum
Erfolg.
229
Im Jahr 1965 zeigte die Forschungsgruppe um Eschenmoser, dass auch
das DMF-Dineopentylacetal in Anwesenheit des betreffenden Alkohols für
anspruchsvolle Veresterungen verwendet werden kann.
222
Nach einer modifizierten
Vorschrift von Lemke et al., die sich dieser Methode nach Eschenmoser bedient,
konnte der N-tert-Butyloxycarbonyl-O-methacryloyl-trans-4-hydroxy-
L
-prolin-tert-
butylester erfolgreich synthetisiert werden.
223
Die Charakterisierung des Produkts
erfolgte mit Hilfe der
1
H- und
13
C-NMR-Spektroskopie.
4.2. Synthese der hochmolekularen Verbindungen
4.2.1. ATRP von N-Isopropropylacrylamid
Poly(N-Isopropylacrylamid) ist eines der meist untersuchten temperatur-sensitiven
Polymere, sodass es zahlreiche Literaturstellen über die Synthese von PNIPAAm-
Polymeren mit Augenmerk auf die ATRP gibt.
230,231
Ein Ziel dieser Arbeit ist es, ein
geeignetes ATRP-System zu finden, welches nicht nur die Homopolymerisation von
NIPAAm ermöglicht sondern auch zur Synthese von Co- und Blockcopolymeren mit
NIPAAm geeignet ist. Tabelle 4.2-1 gibt eine Übersicht über die getesteten ATRP-
Systeme zur Homopolymerisation von NIPAAm.
Ein oft genutztes ATRP-System zur Synthese von PNIPAAm-Homopolymeren geht
auf Masci et al. zurück.
232
Es basiert auf einem Komplex aus Kupfer(I)-chlorid und
Auswertung und Diskussion 107
dem vierzähnigen Me
6
Tren-Liganden in einem Gemisch aus DMF und Wasser im
gleichen Volumenverhältnis. Als Initiator wird das Ethyl-2-chlorpropionat verwendet.
Masci et al. konnten zeigen, dass die Polymerisation einer Kinetik 1. Ordnung folgt
und das die Endgruppen bei 91 % Monomerumsatz noch größtenteils aktiv waren,
sodass die Ketten durch weitere Monomerzugabe verlängert werden konnten. Neben
engverteilten PNIPAAm-Homopolymeren konnten Masci et al. auf diese Weise auch
Blockcopolymere von NIPAAm und DMAAm durch sequenzielle Monomerzugabe
herstellen.
Tabelle 4.2-1: getestete ATRP-Systeme zur Homopolymerisation von NIPAAm
Probe
LM Kat. Ligand Initiator
[M]/[K]/[L]/[I] θ
θθ
θ
t η
ηη
η
M
n,GPCd
D
d
[°C]
[h]
[%]
[g/mol]
PN1
a
DMF / H
2
O
(v/v 1:1) CuCl Me
6
TREN MCP 50 / 0,5 / 0,5 / 1
30 2 59 9600 1,30
PN2
a
DMSO CuCl Me
6
TREN MCP 100 / 1 / 1 / 1 70 17
24 9900 1,16
PN3
a
DMSO CuCl Me
6
TREN MCP 50 / 1 / 1 / 1 70 17
16 3900 1,19
PN4
a,b
DMSO CuCl /
CuCl
2
Me
6
TREN MCP 50 / 0,5 / 0,5 / 1
20 4 44 3000 1,17
PN5
a,c
DMSO CuCl /
CuCl
2
Me
6
TREN MCP 100 / 2 / 2 / 1 20 4 58 10400 1,16
PN6 H
2
O CuBr 2,2'-bpy EBrIB 50 / 1 / 2 / 1 30 2 23 11200 6,22
PN7 H
2
O CuCl 2,2'-bpy EBrIB 50 / 1 / 2 / 1 30 2 41 27200 7,28
PN8 MeOH / H
2
O
(v/v 3:1) CuBr 2,2'-bpy EBrIB 50 / 1 / 2 / 1 30 22
-
PN9 MeOH / H
2
O
(v/v 3:1) CuCl 2,2'-bpy EBrIB 50 / 1 / 2 / 1 30 22
-
PN10 MeOH CuCl Me
4
Cyclam
MBP 50 / 1 / 1 / 1 30 18
70 25700 3,66
PN11 MeOH CuCl Me
4
Cyclam
MCP 50 / 1 / 1 / 1 30 18
58 9700 1,72
PN12 DMF / H
2
O
(v/v 1:1) CuBr Me
6
TREN EBrIB 50 / 1 / 1 / 1 25 19
47 23200 1,78
PN13 iPrOH CuBr Me
6
TREN EBrIB 50 / 1 / 1 / 1 0 19
50 6300 1,28
a
DMF bzw. DMSO wurde vor der Aufarbeitung unter Vakuum entfernt
b
CuCl : CuCl
2
= 4 : 1 (0,150 mmol : 0,038 mmol)
c
CuCl : CuCl
2
= 4 : 1 (0,300 mmol : 0,076 mmol)
d
Eluent: N,N-Dimethylacetamid (50 °C); PMMA-Kalibrierung
In dieser Arbeit wurde anstelle des Ethyl- ein Methyl-2-chlorpropionat als Initiator
verwendet (Probe PN1). Das erhaltene PNIPAAm-Homopolymer zeigte mit einer
Polydispersität von 1,30 eine relativ enge Molekulargewichtsverteilung. Das mittels
GPC bestimmte zahlenmittlere Molekulargewicht (PMMA-Kalibrierung) von 9600
Auswertung und Diskussion 108
g/mol liegt in einem typischen Bereich für ein PNIPAAm-Homopolymer mit einem
Polymerisationsgrad von ungefähr 50. Dennoch wurde bereits gezeigt, dass die
Alkylchlorid-Endgruppen besonders bei Monomerumsätzen größer als 90 % schon in
der Reaktionslösung instabil sind.
224
Zudem sind wässrige Systeme oftmals
ungeeignet, wenn es darum geht, Blockcopolymere mit Hilfe von hydrophoben
Makroinitiatoren herzustellen. Auch die Verwendung hydrolyseempfindlicher
Monomere zur Copolymerisation ist mit diesem ATRP-System nicht möglich.
Eine Alternative bietet die Verwendung von DMSO als Lösungsmittel unter
Beibehaltung des CuCl/Me
6
Tren-Katalysatorkomplexes. Dieses ATRP-System wurde
bereits zur Synthese von Blockcopolymeren aus Solketalacrylat und NIPAAm
verwendet.
225
Die Proben PN2 und PN3 bestätigen, dass sich mit diesem ATRP-
System engverteilte PNIPAAm-Homopolymere synthetisieren lassen. Ein Problem
besteht jedoch in den geringen Ausbeuten von 20 bis 30 Prozent, die auf einen
geringen Monomerumsatz zurückzuführen sind. Dies steht ebenfalls im Einklang mit
der Literatur.
225
Als Erklärung wird eine sehr hohe Radikalkonzentration in polaren
Lösungsmitteln wie Wasser, DMSO oder Acetonitril angeführt. Zudem beobachtet
man in diesen polaren Lösungsmitteln, dass die Kupfer(I)-spezies zur
Disproportionierung neigt.
233,225
Die dabei entstehende Kupfer(II)-spezies wirkt als
Desaktivator. Der im Gleichgewicht vorhandene Kupfer(I)-Katalysatorkomplex zeigt in
diesen polaren Lösungsmitteln jedoch auch ein hohes Reduktionspotenzial, sodass
nicht nur die Alkylhalogenide zu den Radikalen sondern die Radikale weiter zu
Carbanionen reduziert werden können, die bereits durch geringste Spuren von
protischen Lösungsmitteln protoniert und damit ebenfalls irreversibel deaktiviert
werden.
120
Um eine hohe Radikalkonzentration von Anfang an zu verhindern, kann
man bereits mit einem Gemisch aus Kupfer(I)- und Kupfer(II)-salz arbeiten, sodass
das ATRP-Gleichgewicht auf die Seite der schlafenden Spezies verschoben wird. Auf
diese Weise und durch eine Reduzierung der Temperatur auf 20 °C konnten die
Ausbeuten auf 40 bis 60 Prozent gesteigert werden (Probe PN4 und PN5). Die
PNIPAAm-Homopolymere zeichnen sich immer noch durch eine enge Molekular-
gewichtsverteilung aus.
Die bislang diskutierten ATRP-Systeme basierten auf Alkylchlorid-Initiatoren, sodass
im günstigsten Fall PNIPAAm-Ketten mit einer Alkylchlorid-Endgruppe zu erwarten
sind. Acrylate und Methacrylate lassen sich jedoch meistens nur durch auf Brom
Auswertung und Diskussion 109
basierende ATRP-Systeme kontrolliert polymerisieren.
92
Diese Diskrepanz gilt es bei
der Synthese von Co- und Blockcopolymeren zwischen Acrylamiden (NIPAAm) und
(Meth)acrylaten zu überwinden. Deshalb wurden in dieser Arbeit auch ATRP-
Systeme mit Kupfer(I)-bromid als Katalysator und zwei Alkylbromid-Initiatoren (EBrIB,
MBP) getestet. Kim et al. verwendeten einen Katalysatorkomplex bestehend aus
Kupfer(I)-bromid und 2,2‘-Bipyrindin als Ligand, um Goldnanopartikel über eine
oberflächeninitiierte ATRP (surface initiated (SI) ATRP) mit NIPAAm zu be-
schichten.
234
Zuvor wurden die Nanopartikel mit einem Initiator basierend auf einem
2-Bromisobuttersäureester funktionalisiert. Als Lösungsmittel für die ATRP
verwendeten Kim et al. Wasser. In der vorliegenden Arbeit wurde dieses System
verwendet, um lineare PNIPAAm-Homopolymere zu synthetisieren (Probe PN6).
Sowohl die hohe Molmasse als auch die hohe Polydispersität von 6,2 lassen den
Schluss zu, dass diese Polymerisation ohne Kontrolle verläuft. Auch der Austausch
des Kupfer(I)-bromids durch das Kupfer(I)-chlorid bringt keinen kontrollierten
Charakter (Probe PN7). Der Zusatz von Methanol als Lösungsmittel zur Verbesser-
ung der Löslichkeit des CuX/2,2‘-bpy-Komplexes führt zum vollständigen Erliegen der
Polymerisation (Probe PN8 und PN9). Diese Ergebnisse stehen auch nicht im
Widerspruch zu der Veröffentlichung von Kim et al., da dort kein Nachweis über den
kontrollierten Charakter der SI-ATRP angeführt wurde.
234
Für die temperatur-
sensitive Dimensionsänderung der synthetisierten Gold/PNIPAAm-Hybridpartikel ist
eine enge Molekulargewichtsverteilung auch nicht nötig.
Zhao et al. verwendeten ein ATRP-System bestehend aus einem CuCl/Me
4
Cyclam-
Katalysatorkomplex in Methanol zur Synthese von Triblockcopolymeren aus NIPAAm
und 2-Hydroxyethylmethacrylat (HEMA).
235
Als Initiator verwendeten Zhao et al.
einen meso-2,5-Dibromadipinsäurediethylester. Es wurden Triblockcopolymere mit
unterschiedlich langen PNIPAAm-Blöcken erhalten. Insgesamt lagen die
Polydispersitäten der Triblockcopolymere zwischen 1,13 und 1,54. Der kontrollierte
Charakter der Polymerisation wurde anhand einer Reaktionskinetik 1. Ordnung
nachgewiesen. Die Proben PN10 und PN11 geben die Resultate der
Homopolymerisation von NIPAAm wieder, die bei Verwendung des
CuCl/Me
4
Cyclam-Katalysatorkomplexes in Methanol und MBP bzw. MCP als Initiator
in dieser Arbeit erhalten wurden. Der Einsatz des Alkylbromid-Initiators MBP führte
zu einem PNIPAAm-Polymer mit einer hohen Polydispersität von 3,66. Auch die
hohe zahlenmittlere Molmasse von 25700 g/mol deutet auf einen unkontrollierten
Auswertung und Diskussion 110
Polymerisationsverlauf hin. Die Verwendung des Alkylchlorid-Initiators MCP
resultierte in einer Verringerung sowohl des mittleren Molekulargewichts (9700 g/mol)
als auch der Polydispersität (1,72). Dennoch liegt diese Polydispersität in einem
Bereich, welcher typisch für eine freie radikalische Polymerisation ist, sodass auch in
diesem Fall keine kontrollierte Polymerisation vorliegt. Diese Ergebnisse stehen in
deutlichem Widerspruch zu den Resultaten von Zhao et al., obwohl dort ein
bifunktioneller Initiator verwendet wurde.
Ein Komplex aus Kupfer(I)-bromid und Me
6
Tren in Gemisch aus DMF/Wasser im
Volumenverhältnis 1:1 wurde von Kotsuchibashi et al. verwendet, um Copolymere
aus NIPAAm und N-Hydroxymethylacrylamid herzustellen.
236
Als Initiator fungierte
Ethyl-2-bromisobutyrat. Die erhaltenen Copolymere mit variierendem Gehalt an N-
Hydroxymethylacrylamid zeigten Polydispersitäten zwischen 1,38 und 1,57. Auch in
dieser Publikation wurden keine Nachweise für den kontrollierten Verlauf der ATRP
angeführt. Die Probe PN12 zeigt die Resultate bei der Verwendung des beschrieben-
en CuBr/Me
6
Tren-Komplexes zur PNIPAAm-Synthese. Sowohl die hohe mittlere Mol-
masse von 23200 g/mol als auch die hohe Polydispersität von 1,78 deuten auf eine
nicht vorhandene Kontrolle der Polymerisation hin. Dennoch liegen diese Ergebnisse
in einem Bereich, der mit den Werten von Kotsuchibashi et al. übereinstimmt.
Eine Methode zur Synthese von Blockcopolymeren mit einem Polyacrylamid-Block
(PNIPAAm) und einem Peptid-Block (Poly(lysin)) wurde von Huang et al. veröffent-
licht.
237
Die Forschungsgruppe bediente sich dabei einer Kombination aus kontrolliert
radikalischer Polymerisation (ATRP) und Ringöffnungspolymerisation (ROP) aus-
gehend von einem bifunktionellen Initiator. Für die ATRP von NIPAAm verwendete
die Forschungsgruppe einen CuBr/Me
6
Tren-Katalysatorkomplex in Isopropanol als
Lösungsmittel. Der bifunktionelle Initiator beinhaltete eine 2-Bromisobuttersäureamid-
Einheit zur Initiierung der ATRP. Mit diesem ATRP-System wurden engverteilte
PNIPAAm-Homopolymere im zahlenmittleren Molmassenbereich von 17000-20000
g/mol erhalten. Die Polydispersitäten bewegten sich zwischen 1,12 und 1,31. Anhand
der direkten Proportionalität zwischen zahlenmittlerer Molmasse und Monomerum-
satz konnten Huang et al. den kontrollierten Verlauf der Polymerisation nachweisen.
Interessanterweise stellten Huang et al. fest, dass die ATRP von NIPAAm mit diesem
System bei 0 °C zu Polymeren mit einer engeren Mole kulargewichtsverteilung führt.
Jedoch ist der erzielte Monomerumsatz (64 %) trotz längerer Reaktionszeit etwas
Auswertung und Diskussion 111
geringer gewesen als bei einer Temperatur von 20 °C (70 %). In Anlehnung an das
ATRP-System von Huang et al. wurde im Rahmen dieser Arbeit der CuBr/Me
6
Tren-
Katalysatorkomplex in Isopropanol jedoch mit Ethyl-2-bromisobutyrat als Initiator zur
Homopolymerisation von NIPAAm bei 0 °C verwendet (Probe PN 13). Das erhaltene
PNIPAAm-Polymer zeigte mit einer zahlenmittleren Molmasse von 6300 g/mol und
einer Polydispersität von 1,28 erste Indizien eines kontrollierten Polymerisationsver-
laufs und steht damit im Einklang mit den Ergebnissen von Huang et al.. Dieses
System bildet nun den Ausgangspunkt für weitere Optimierungen besonders
hinsichtlich des Monomerumsatzes.
Tabelle 4.2-2: Optimierung des Systems zur ATRP von NIPAAm (Kat.: CuBr, Ligand: Me
6
Tren)
Probe LM Initiator [M]/[K]/[L]/[I]
θ
θθ
θ
t U η
ηη
η
M
n,GPCd
D
d
[°C]
[h]
[%]
[%]
[g/mol]
PN13 iPrOH EBrIB 50 / 1 / 1 / 1 0 19
50
- 6300 1,28
PN14 iPrOH / H
2
O
(v/v 5:1) EBrIB 50 / 1 / 1 / 1 0 2 94
83
10900 1,09
PN15 iPrOH / H
2
O
(v/v 5:1) EBrIB 100 / 2 / 2 / 1
0 19
82
82
19800 1,24
PN16 iPrOH / H
2
O
(v/v 5:1) EBrIB 50 / 1 / 1 / 1 30 23
55
49
17300 1,41
PN17 iPrOH / H
2
O
(v/v 5:1) MBP 50 / 1 / 1 / 1 0 19
99
95
8200 1,11
PN18 iPrOH / H
2
O
(v/v 5:1) MBP 100 / 1 / 1 / 1
0 22
91
90
12400 1,13
PN19 iPrOH / H
2
O
(v/v 5:1) MBP 50 / 1 / 1 / 1 30 21
70
70
7300 1,20
d
Eluent: N,N-Dimethylacetamid (50 °C); PMMA-Kalibrierung
In der Literatur wurde bereits oftmals beschrieben, dass der Einsatz von Wasser als
Lösungsmittel in der ATRP zu einem deutlichen Anstieg der Polymerisationsge-
schwindigkeit führt.
69,104
Durch den stark polaren Charakter des Wassers wird zudem
die Löslichkeit des geladenen Katalysatorkomplexes in dem Reaktionsgemisch
verbessert. Deshalb wurde dem ATRP-System von Huang et al. ein kleiner Anteil an
Wasser zugegeben. Tabelle 4.2-2 zeigt die erhaltenen Resultate dieser Optimierung
Auswertung und Diskussion 112
im Hinblick auf Monomerumsatz, Polymerausbeute sowie die zahlenmittlere
Molmasse und die Polydispersität der PNIPAAm-Homopolymere.
Betrachtet man die Polymerisationen bei 0 °C (PN 14 , PN15, PN17 und PN18), so
stellt man im Vergleich zum ursprünglichen System von Huang et al. fest, dass der
Zusatz von geringen Mengen an Wasser zu einem deutlichen Anstieg des Monomer-
umsatzes sowie auch zu einer Verringerung der Polydispersität führt. Bei einer
Reaktionstemperatur von 30 °C sind weiterhin niedrigere Umsätze und breitere Mol-
massenverteilungen zu beobachten (PN16 und PN19). Dabei sind sowohl Ethyl-2-
bromisobutyrat als auch Methyl-2-prompropionat als Initiator einsetzbar, wobei die
Monomerumsätze mit MBP geringfügig höher liegen. Des Weiteren liegen die er-
zielten Polymerausbeuten nur geringfügig unterhalb der Monomerumsätze, was für
eine effektive Prozedur bei der Aufreinigung und Isolierung der Homopolymere
spricht.
H
N
O
Br
O
O
ONH
MBP, CuBr, Me
6
Tren
m
iPrOH/H
2
O (5:1)
0 °C, 1 h
Abbildung 4.2-1: ATRP von NIPAAm mit MBP als Initiator und einem
Cu(I)/Me
6
Tren-Komplex als Katalysator in einem
Lösungsmittelgemisch aus iso-Propanol und Wasser
Um dieses ATRP-System auch für die Synthese von Blockcopolymeren mit NIPAAm
nutzen zu können, stellt sich die Frage nach dem kontrollierten Charakter der
Polymerisation. Erfüllt die Homopolymerisation von NIPAAm mit dem beschriebenen
ATRP-System die Merkmale einer kontrollierten Polymerisation (vgl. Abschnitt
2.2.2)? Um diese Frage beantworten zu können, wurde die Kinetik dieser ATRP
untersucht.
Abbildung 4.2-2 zeigt die Resultate für die Reaktionskinetik der ATRP von NIPAAm
in dem beschriebenen ATRP-System für zwei unterschiedliche Verhältnisse von
Monomer zu Initiator. Eine direkte Proportionalität zwischen der zahlenmittleren Mol-
masse und dem Monomerumsatz (Abbildung 4.2-2b) ist ebenso gut zu erkennen wie
auch eine mit dem Umsatz abfallende Polydispersität der Makromoleküle (Abbildung
Auswertung und Diskussion 113
4.2-2c). Diese Ergebnisse sind im Einklang mit den Merkmalen einer kontrollierten
Polymerisation.
a)
b
)
c
)
Abbildung 4.2-2: Untersuchung der
Reaktionskinetik für die
Homopolymerisation von
NIPAAm (CuBr/Me
6
Tren,
Initiator: MBP, LM:
iPrOH/H
2
O (v/v 5:1), ϑ
ϑϑ
ϑ = 0 °C)
a) Auftragung der Monomerumsätze für eine
Kinetik 1. Ordnung
b) Auftragung der zahlenmittleren Molmasse
über dem Monomerumsatz
c) Auftragung der Polydispersität über dem
Monomerumsatz
Lediglich die Auftragung der logarithmierten Monomerkonzentration entsprechend
einer Kinetik 1. Ordnung zeigt keine lineare Beziehung (Abbildung 4.2-2a). Dieses
Phänomen wurde bereits bei verschiedenen Systemen zur ATRP von Acrylamiden
beschrieben und mit einem zunehmenden Verlust der Katalysatoraktivität begründet.
Eine Voraussetzung für eine Kinetik 1. Ordnung bei der ATRP ist aber das
eingestellte Gleichgewicht zwischen aktiver und schlafender Spezies, sodass die
Konzentration der Radikale und des oxidierten Übergangsmetallkomplexes konstant
sind. Diese Voraussetzung ist jedoch gerade zu Beginn der ATRP noch nicht
gegeben, da sich das Gleichgewicht ausgehend vom Alkylhalogenid-Initiator und
Katalysatorkomplex erst einstellt. Hanns Fischer beschreibt in seinem Übersichts-
artikel zum „Persistent Radical Effect“ die zeitliche Änderung der Radikalkonzentra-
tionen bei Reaktionen in Anwesenheit von stabilen (persistenten) Radikalen
(Abbildung 4.2-3).
75
Nach anfänglicher Radikalbildung kommt es zu Kreuzreaktionen
zwischen den Kohlenstoffradikalen (transiente Radikale) und den persistenten
0
1
2
3
4
5
6
0 50 100 150 200 250
ln([M]
0
/[M])
Zeit [min]
[M]/[K]/[L]/[I] = 50/1/1/1
[M]/[K]/[L]/[I] = 100/1/1/1
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
20000
0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
M
n,GPC
[g/mol]
Umsatz (NIPAAm)
[M]/[K]/[L]/[I] = 50/1/1/1
[M]/[K]/[L]/[I] = 100/1/1/1
1,00
1,05
1,10
1,15
1,20
1,25
1,30
1,35
1,40
1,45
1,50
0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
Polydispersität
Umsatz (NIPAAm)
[M]/[K]/[L]/[I] = 50/1/1/1
[M]/[K]/[L]/[I] = 100/1/1/1
Auswertung und Diskussion 114
Radikalen. Da die transienten Radikale in einer Terminierungsreaktion auch mitein-
ander rekombinieren, beobachtet man, dass die Konzentration der transienten
Radikale nach Durchlaufen eines Maximums wieder abnimmt. Da die persistenten
Radikale (fast) ausschließlich zu Kreuzreaktionen befähigt sind, reichern sie sich im
Reaktionsgemisch an. Dieses Phänomen wird als „Persistent Radical Effect“ be-
zeichnet. Aus Abbildung 4.2-3 wird deutlich, dass es sogar mehrere Minuten dauern
kann, bis ein Gleichgewicht mit konstanten Radikalkonzentrationen eingestellt ist.
Abbildung 4.2-3: Berechnete zeitliche Änderung der Konzentration an
persistenten (Y
.
) und transienten (R
.
) Radikale für
verschiedene Geschwindigkeitskonstanten der
Terminierungsreaktion zwischen persistenten Radikale
(Reprinted with permission from
75
. Copyright 2001
American Chemical Society)
Nach der Anfangsphase der Radikalbildung beobachtet man empirisch, dass die
zeitliche Änderung der Konzentration an transienten und persistenten Radikalen
proportional zu t
-1/3
bzw. t
1/3
verläuft. Fügt man diese Beziehung in das
Geschwindigkeits-Zeit-Gesetz des Kettenwachstums ein (Gleichung 9), so erhält
man für die zeitliche Änderung der logarithmierten Monomerkonzentration eine
Proportionalität zu t
2/3
(Gleichung 10).
3/1
][][][
][
−
⋅⋅⋅−=⋅⋅−= tCMkRMk
tdMd
prpr
Gleichung 9
3/2
0
'
][
][
ln tC
M
M⋅=
⇒
Gleichung 10
[M], [R] Monomer- und Radikalkonzentration
[M
0
] Anfangskonzentration an Monomer
k
pr
Geschwindigkeitskonstante des
Auswertung und Diskussion 115
Kettenwachstums
t Zeit
C, C‘ Konstanten
Diese Proportionalität zu t
2/3
wurde bereits von Lu et al. und Couet et al. für die ATRP
von NIPAAm mit dem Cu(II)/Me
6
Tren-Katalysatorkomplex beschrieben.
238,239
Die
Forschungsgruppe um Matyjaszewski veröffentlichte 2006 eine modifizierte Variante
der Fischer-Gleichung, mit der nun auch zeitliche Änderungen der Katalysatorkon-
zentration berücksichtigt und ATRP-Systeme mit großen Gleichgewichtskonstanten
K
ATRP
beschrieben werden können.
240
Trägt man nun die Daten aus Abbildung 4.2-2a
gegen t
2/3
auf so erhält man für den Anfangsbereich die erwartete lineare Beziehung
der Messpunkte (Abbildung 4.2-4).
Abbildung 4.2-4 Auftragung der Monomerkonzentration gegen t
2/3
gemäß der Fischer-Beziehung
Neben der konstanten Anzahl gleichmäßig wachsender Polymerketten ist die End-
gruppenfunktionalität ein weiteres Merkmal kontrollierter Polymerisationen. Diese
Bedingung ist besonders beim Aufbau komplexer Polymerarchitekturen essentiell.
Während und auch nach der Polymerisation sollte der Großteil der Polymerketten als
schlafende Spezies in Form eines Alkylhalogenids vorliegen. Ein direkter Nachweis
der Endgruppen kann beispielsweise über Spektroskopie (NMR, UV/VIS) oder über
spezielle Verfahren der Massenspektrometrie (z. B. MALDI-ToF-MS) erfolgen. Bei
Polyacrylamiden gestaltet sich ein direkter Nachweis der Endgruppen besonders
schwierig, da die Endgruppen bereits im Reaktionsgemisch und besonders bei
Aufarbeitung und Isolierung des Polymers sehr instabil sind.
224,241
Ein indirekter
Nachweis der Endgruppen kann durch ein sogenanntes „self-blocking“-Experiment
erfolgen. Dabei wird dem ATRP-Reaktionsgemisch, nachdem ein hoher Monomer-
umsatz erreicht worden ist, weiteres Monomer zugegeben. Nur Polymerketten mit
0
1
2
3
4
5
6
0 10 20 30 40
ln([M]
0
/[M])
Zeit
2/3
[min
2/3
]
[M]/[K]/[L]/[I] = 50/1/1/1
[M]/[K]/[L]/[I] = 100/1/1/1
Auswertung und Diskussion 116
einer aktiven Alkylhalogenid-Endgruppe können bei erneuter Monomerzugabe weiter
wachsen. Durch Vergleich der Molekulargewichtsverteilungen vor und nach erneuter
Monomerzugabe lassen sich somit Rückschlüsse auf das Vorhandensein der aktiven
Endgruppe ziehen. Solch ein „self-blocking“-Experiment wurde für das beschriebene
ATRP-System zur Homopolymerisation von NIPAAm durchgeführt.
Abbildung 4.2-5: „self-blocking“-Experiment zum indirekten Nachweis
der aktiven Endgruppen bei der ATRP von NIPAAm
(▲vor erneuter Monomerzugabe,●nach erneuter
Monomerzugabe; angegebene Werte für M
n
und D
wurden mit Hilfe der GPC in DMAc und einer PMMA-
Kalibrierung ermittelt)
Abbildung 4.2-5 zeigt nach erneuter Monomerzugabe eine deutliche Verschiebung
der Molekulargewichtsverteilung zu höheren Molmassen. Somit müssen nach 45 min
Reaktionszeit für den ersten Block und 96 % Monomerumsatz die meisten Ketten-
enden der Makromoleküle als aktive Alkylbromid-Gruppen vorliegen. Dennoch weist
die Molekulargewichtsverteilung nach erneuter Monomerzugabe eine Schulter auf,
die darauf hindeutet, dass dennoch einige Kettenenden durch Terminierungs-
reaktionen bereits inaktiv sind und nicht mehr weiter wachsen können. Die Ursache
hierfür liegt in der Natur der aktiven Spezies. Als Kohlenstoffradikal ist es nicht nur
zur Addition an Monomere, sondern ebenfalls, wenn auch nur in geringem Maße, zu
Abbruchreaktionen durch Rekombination, Disproportionierung oder Übertragung
befähigt. Diese Abbruchreaktionen werden zwar unter kontrollierten Bedingungen
minimiert, dennoch treten sie nachweisbar auf. Unter ATRP-Bedingungen kann der
Anteil inaktiver Polymerketten durchaus 5 bis 10 % betragen.
92
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1000 10000 100000
normierte Intensität [%]
Molekulargewicht [g/mol]
M
n
= 14700 g/mol
D = 1,25
t = 20 h
U = 94 %
M
n
= 8600 g/mol
D = 1,12
t = 45 min
U = 96 %
Auswertung und Diskussion 117
4.2.2. ATRP von N,N-Dimethylacrylamid
Die Synthese von Poly(N,N-dimethylacrylamid) (PDMAAm) ist von großem Interesse,
da sich dieses Polymer durch eine hohe Wasserlöslichkeit und Biokompatibilität aus-
zeichnet.
242,243
Die kontrollierte Polymerisation von N,N-Dimethylacrylamid (DMAAm)
ist besonders zum Aufbau komplexer Polymerarchitekturen essentiell. Neben der
anionischen Polymerisation wurden RAFT und NMRP als Methoden der kontrollierten
radikalischen Polymeristion zur Synthese von PDMAAm beschrieben.
244,245,246
Die
ATRP von DMAAm gestaltet sich hingegen schwierig, da die Acrylamide selbst als N-
Liganden fungieren können und somit in Konkurrenz zu dem eigentlichen ATRP-
Liganden bei der Komplexierung des Katalysators treten. Dadurch wird die
Desaktivierung der wachsenden Kettenenden so sehr verlangsamt, dass die
Beziehung k
deact
>k
act
>>k
prop
als Grundlage der Kontrolle nicht mehr gilt. Rademacher
et al. veröffentlichten eine umfangreiche Studie zur ATRP von DMAAm unter
Verwendung zahlreicher Initiatoren, Liganden und Lösungsmittel.
241
Keines der
untersuchten Systeme führte zu einem kontrollierten Wachstum der PDMAAm-
Ketten. Zudem konnten Rademacher et al. durch massenspektrometrische Unter-
suchungen einen indirekten Beweis zur nukleophilen Substitution der Halogenid-
Endgruppen durch Wasser und damit den irreversiblen Verlust der aktiven Ketten-
enden liefern.
Schließlich gelang es Teodorescu et al. engverteilte PDMAAm-Homopolymere durch
ATRP mit einem CuX/Me
6
Tren-Katalysatorkomplex (X = Br, Cl) in Toluol herzu-
stellen.
247
Neben den niedrigen Polydispersitäten konnte auch eine lineare
Beziehung zwischen zahlenmittlerer Molmasse und Monomerumsatz beobachtet
werden. Dennoch konnten nur geringe Umsätze bis maximal 56 % erreicht werden,
wobei die Polymerisationskinetik kein Verhalten 1. Ordnung zeigte. Diese Beob-
achtungen wurden mit einer Inaktivierung des ATRP-Katalysators begründet. Durch
Verwendung eines eigens synthetisierten BPED-Liganden konnten Ding et al. die
ATRP von DMAAm in Substanz zu hohen Monomerumsätzen von über 90 %
führen.
248
Obwohl die Ergebnisse zur Untersuchung der Polymerisationskinetik auf
einen kontrollierten Verlauf der ATRP hindeuten, liegen die Polydispersitäten für
Umsätze größer 90 Prozent bei 1,6. Somit kann von einer engen Molekulargewichts-
verteilung keine Rede sein.
Auswertung und Diskussion 118
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit stellt sich nun die Frage, ob das für die Homo-
polymerisation von NIPAAm untersuchte ATRP System (Abschnitt 4.2.1) auch zur
Polymerisation von DMAAm geeignet ist. Abbildung 4.2-7 und Tabelle 4.2-3 zeigen
die Resultate der durchgeführten Homopolymerisationen von DMAAm.
MBP, CuBr, Me
6
Tren
iPrOH/H
2
O (5:1)
0 °C, 1 h
N
O
O
O
Br
NO
m
Abbildung 4.2-6: ATRP von DMAAm mit MBP als Initiator und einem
Cu(I)/Me
6
Tren-Komplex als Katalysator in einem
Lösungsmittelgemisch aus iso-Propanol und Wasser
Abbildung 4.2-7: Molekulargewichtsverteilung der synthetisierten
PDMAAm-Homopolymere (Resultat der GPC-
Untersuchung mit DMAc als Eluent und PMMA-
Kalibrierung)
Die Resultate belegen, dass die Synthese engverteilter PDMAAm-Homopolymere mit
dem beschriebenen ATRP-System möglich ist. Die Polydispersitäten liegen unterhalb
von 1,3 in einem typischen Bereich für eine kontrollierte radikalische Polymerisation.
Im Vergleich zur ATRP von NIPAAm sind die Monomerumsätze bei der ATRP von
DMAAm etwas geringer. Das zahlenmittlere Molekulargewicht ist über das Verhältnis
von Monomer zu Initiator einstellbar. Die Molekulargewichtsverteilungen als Ergebnis
der GPC-Untersuchungen sind für beide Proben monomodal. Untersuchungen zur
Polymerisationskinetik konnten aufgrund des schnellen Polymerisationsverlaufs nicht
durchgeführt werden. Bereits nach 5 min Reaktionszeit war ein Monomerumsatz von
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
300 3000 30000
normierte Intensität
Molekulargewicht [g/mol]
PDM1
PDM2
Auswertung und Diskussion 119
66 % zu verzeichnen. Somit sind abschließende Aussagen über die Kontrolle der
Polymerisation in diesem Fall nicht möglich.
Tabelle 4.2-3: Resultate der ATRP von DMAAm (Kat.: CuBr, Ligand: Me
6
Tren)
Probe
LM Initiator [M]/[K]/[L]/[I]
θ
θθ
θ
t U η
ηη
η
M
n,GPCa
D
a
[°C]
[h]
[%]
[%]
[g/mol]
PDM1
iPrOH / H
2
O
(v/v 5:1) MBP 50 / 1 / 1 / 1 0 22
68
34 6300 1,28
PDM2
iPrOH / H
2
O
(v/v 5:1) MBP 100 / 1 / 1 / 1
0 22
91
63
10900 1,09
a
Eluent: N,N-Dimethylacetamid (50 °C); PMMA-Kalibrierung
4.2.3. ATRP von Solketalacrylat
Die Polymerisation von Solketalacrylat (SKA) dient zur Synthese von hydrophilen
Polymeren.
145,249
In einer polymeranalogen Reaktion kann das Acetal gespalten
werden, wobei das hydrophile Poly(2,3-dihydroxypropylacrylat) (PDHPA) entsteht.
Zur Synthese von komplexeren Polymerarchitekturen ist eine kontrollierte Polymeri-
sation des SKA besonders wichtig. Im Rahmen einer Dissertation aus dem Jahr 2008
wurde die kontrollierte radikalische Polymerisation verwendet, um Blockcopolymere
aus SKA und NIPAAm herzustellen.
225
Mit Hilfe der ATRP konnten
Poly(solketalacrylat)-Makroinitiatoren mit Alkylchlorid-Endgruppen synthetisiert und
zur ATRP von NIPAAm verwendet werden. Da sich die PSKA-Makroinitiatoren nicht
in einem Gemisch aus DMF/Wasser (v/v 1:1) lösten, musste für die ATRP von
NIPAAm DMSO als Lösungsmittel verwendet werden. Dabei wurden jedoch nur
geringe Monomerumsätze an NIPAAm von weniger als 40 % erreicht. Mögliche
Gründe hierfür wurden bereits im Abschnitt 4.2.1 diskutiert. Zur Synthese der PSKA-
Makroinitiatoren wurden zahlreiche ATRP-Systeme getestet.
225
Dabei zeigte sich,
dass ein System aus einem CuBr/PMDETA-Katalysatorkomplex in Diphenylether und
Ethyl-2-bromisobutyrat als Initiator zu engverteilten PSKA-Homopolymeren führt. Da
jedoch die ATRP von NIPAAm über einen Alkylchlorid-Initiator erfolgen sollte, wurde
das beschriebene ATRP-System nicht weiter untersucht. Im Rahmen einer Bachelor-
arbeit an der Universität Paderborn aus dem Jahr 2009 konnte gezeigt werden, dass
eben dieses ATRP-System bestehend aus einem CuBr/PMDETA-Katalysator-
komplex in Diphenylether geeignet ist, um PSKA-Homopolymere in einem Molekular-
gewichtsbereich von 5000 bis 25000 g/mol kontrolliert zu polymerisieren.
250
Im
Auswertung und Diskussion 120
Rahmen der vorliegenden Arbeit konnte der kontrollierte Charakter der ATRP von
SKA mit dem beschriebenen ATRP-System bestätigt werden.
O
O
O
O
Br
O
O
OO
O
O
EBrIB, CuBr, PMDETA
m
Ph
2
O, 90 °C
Abbildung 4.2-8: ATRP von SKA mit EBriB als Initiator und einem
Cu(I)/PMDETA-Komplex als Katalysator in
Diphenylether
a)
b)
Abbildung 4.2-9: Untersuchung der Reaktions-
kinetik für die
Homopolymerisation von SKA
(CuBr/PMDETA, Initiator:
EBrIB, LM: Ph
2
O , ϑ
ϑϑ
ϑ = 90 °C)
a) Molekulargewichtsverteilungen in
Abhängigkeit der Reaktionszeit (DMAc,
PMMA-Kalibrierung)
b) Auftragung der Monomerumsätze für eine
Kinetik 1. Ordnung
c) Auftragung der zahlenmittleren Molmasse
und Polydispersität über dem
Monomerumsatz
c)
Abbildung 4.2-9a zeigt die zeitliche Entwicklung der Molekulargewichtsverteilung als
Ergebnis der GPC-Untersuchungen. Neben dem Anwachsen der mittleren Molmasse
ist auch eine zunehmend engere Verteilung des Molekulargewichts zu erkennen. Die
zeitliche Veränderung des Monomerumsatzes folgt dabei einer Kinetik 1. Ordnung
(Abbildung 4.2-9b). Dabei werden Monomerumsätze von über 80 % erreicht. Die
direkte Proportionalität zwischen zahlenmittlerer Molmasse und Monomerumsatz
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
300 3000 30000
normierte Intensität
Molekulargewicht [g/mol]
10 min
20 min
30 min
60 min
90 min
120 min
180 min
[M]/[I] = 100/1
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
0 50 100 150 200
ln(M
0
/M)
Zeit [min]
[M]/[I] = 50/1
[M]/[I] = 100/1
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
1,8
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0,2 0,4 0,6 0,8 1
Polydispersität
M
n,GPC
[g/mol]
Umsatz (SKA)
[M]/[I] = 50/1
[M]/[I] = 100/1
D (50/1)
D (100/1)
Auswertung und Diskussion 121
zeigt eine konstante Anzahl wachsender Polymerketten an (Abbildung 4.2-9c). Die
Polydispersitäten nehmen mit ansteigendem Monomerumsatz ab und erreichen bei
Umsätzen von mehr als 80 % Werte um 1,14. Als letztes Merkmal des kontrollierten
Verlaufs einer Polymerisation muss noch die Endgruppenfunktionalität untersucht
werden. Der Nachweis der aktiven Alkylbromid-Endgruppen erfolgte wiederum
indirekt über ein „self-blocking“-Experiment. Dabei wurde die Homopolymerisation
von SKA nach 1 h Reaktionszeit und 84 % Monomerumsatz abgebrochen, der
Katalysatorkomplex durch Filtration über Aluminiumoxid entfernt und Monomerreste
durch Ausfällen des Polymers in n-Hexan abgetrennt. Das erfolgreiche Abtrennen
der Monomerreste konnte mittels
1
H-NMR-Spektroskopie nachgewiesen werden.
Nach Charakterisierung des Homopolymers über GPC und
1
H-NMR-Spektroskopie
wurde dieser Makroinitiator zur Initiierung einer weiteren ATRP von SKA verwendet.
Dabei konnten nur Polymerketten mit einer aktiven Alkylbromid-Endgruppe weiter
wachsen.
Abbildung 4.2-10: „self-blocking“-Experiment zum indirekten Nachweis
der aktiven Endgruppen bei der ATRP von SKA
(▲Makroinitiator nach Aufarbeitung,●nach erneuter
Polymerisation von SKA mit Hilfe des Makroinitiators;
angegebene Werte für M
n
und D wurden mit Hilfe der
GPC in DMAc und einer PMMA-Kalibrierung ermittelt)
Abbildung 4.2-10 zeigt die Molekulargewichtsverteilung des Makroinitiators nach Auf-
arbeitung (rote Kurve) sowie die Molmassenverteilung des Produkts der ATRP von
SKA mit Hilfe des Makroinitiators (blaue Kurve). Es ist eine deutliche Verschiebung
der Molekulargewichtsverteilung zu höheren Molmassen zu beobachten, sodass ein
Großteil der Polymerketten weiter gewachsen ist. Nach dem „self-blocking“-Experi-
ment zeigt lediglich das Auslaufen der Molekulargewichtsverteilung bei niedrigen
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1000 10000 100000
normierte Intensität
Molekulargewicht [g/mol]
PSKA
Mn = 6000 g/mol
D = 1,17
PSKA-b-PSKA
Mn = 15700 g/mol
D = 1,37
Auswertung und Diskussion 122
Molmassen einen kleinen Rest an Polymerketten an, der aufgrund des Verlust der
Alkylbromid-Endgruppe nicht weiter wachsen konnten. Somit bleibt festzuhalten,
dass die Endgruppen der PSKA-Homopolymere nicht nur im Reaktionsgemisch stabil
sind, sondern auch den Aufarbeitungsprozess überstehen. Zusammenfassend
konnten alle Merkmale nachgewiesen werden, die einen kontrollierten Verlauf der
ATRP von SKA unter den beschriebenen Bedingungen charakterisieren.
4.2.4. Endgruppenmodifizierung des PEG-5000-Monomethylethers
Poly(ethylenglycol) ist ein biokompatibles Polymer, welches über einen großen Mole-
kulargewichtsbereich kommerziell erhältlich ist. Es wird meistens durch anionische
Polymerisation von Ethylenoxid hergestellt und ist mit verschiedenen Endgruppen
verfügbar. Für die Synthese von Diblockcopolymeren aus Ethylenglycol und (Meth)-
acrylaten bzw. Acrylamiden über eine ATRP benötigt man einen einseitig
funktionalisierten PEG-Makroinitiator, der an einem Kettenende die enstprechende α-
akzeptorsubstituierte Alkylhalogenidgruppe trägt. Ein solcher PEG-Makroinitiator
lässt sich durch eine polymeranaloge Reaktion aus einem PEG-Monomethylether
herstellen. Zurzeit ist ein PEG-Monomethylether nur bis zu einer maximalen zahlen-
mittleren Molmasse von 5000 g/mol erhältlich. Bei der polymeranalogen Reaktion
wird die freie Hydroxygruppe zum Beispiel mit 2-Brompropionylbromid verestert. Die
Herausforderung bei dieser Reaktion besteht eindeutig darin, dass man einen
möglichst quantitativen Umsatz erzielen sollte. Andernfalls würde man später ein
Gemisch aus dem gewünschten Blockcopolymer und dem unmodifizierten PEG-
Monomethylether erhalten, welches, wenn überhaupt, nur schwer zu trennen ist.
OOH
+
Br
O
Br O O
O
Br
TEA
CH
2
Cl
2
, reflux
24 h
(79 %)
113 113
Abbildung 4.2-11: Modifizierung des PEG-5000-Monomethylethers mit 2-
Brompropionylbromid
Um diesen möglichst hohen Umsatz zu erzielen, wurde in dieser Arbeit ein 20facher
Überschuss an Brompropionylbromid verwendet. Daraus ergibt sich eine weitere
Herausforderung, da nach der Reaktion das überschüssige Säurebromid vom
Produkt abgetrennt werden muss. Dies geschah über eine Sequenz von Umkristal-
Auswertung und Diskussion 123
lisierungen aus Ethanol, sodass im Anschluss im
1
H-NMR-Spektrum keinerlei Spuren
an Brompropionylbromid bzw. eventuellen Hydrolyseprodukten zu erkennen sind. Die
Quantifizierung des Umsatzes erfolgte ebenfalls über die
1
H-NMR-Spektroskopie. Ein
Vergleich des Integrals für die Protonen der Methoxy-Gruppe mit dem Integral für die
Protonen der 2-Brompropionyl-Gruppe liefert einen Veresterungsgrad von ca. 95 %.
Neben der
1
H-NMR-Spektroskopie wurde auch die MALDI-ToF-Massenspektrometrie
verwendet, um den modifizierten PEG-5000-Monomethylether zu untersuchen
(Abbildung 4.2-13). Hierbei konnten ebenfalls die 2-Brompropionylgruppen an den
Enden der PEG-Ketten nachgewiesen werden (S1 und S2). Bei der Serie S1 liegen
die PEG-Ketten als Addukt mit Natriumionen vor, während bei der Serie S2 die
Ionisierung durch Kaliumionen erfolgt. Im Gegensatz zur
1
H-NMR-Spektroskopie sind
im MALDI-ToF-Spektrum aufgrund der höheren Empfindlichkeit auch Signale zu
erkennen, die von PEG-5000-Monomethylether-Ketten resultieren (S3). Daraus wird
ersichtlich, dass trotz des hohen Überschusses an 2-Brompropionylbromid keine
vollständige Veresterung erzielt wurde. Dieses Ergebnis ist konform mit dem Resultat
1
O
2
3
O
4
5
O
O
6
7
Br
112
2,3,4
6
5
7
1
Abbildung
4.2
-
12
:
1
H
-
NMR
-
Spektrum des PEG
-
Makroinitiators für die
ATRP (aufgenommen in CDCl3)
Auswertung und Diskussion 124
der
1
H-NMR-Spektroskopie, das einen Verersterungsgrad von ca. 95 % angibt.
Insgesamt zeigen die Ergebnisse der NMR-Spektroskopie als auch der MALDI-ToF-
Massenspektrometrie, dass die Modifizierung des PEG-5000-Monomethylethers mit
2-Brompropionylbromid erfolgreich verlaufen ist, wobei jedoch ein geringer Anteil an
unmodifizierten PEG-Ketten vorhanden ist.
Label
M
n
[g/mol]
PD
α−
α−α−
α−EG
RU ω−
ω− ω−
ω−EG Charge
State Adduct
Formula
S1 5015 1,02
CH
3
O
C
2
H
4
O
C
3
H
4
OBr
1 Na CH
3
O[C
2
H
4
O]
n
C
3
H
4
OBr + Na
S2 4659 1,09
CH
3
O
C
2
H
4
O
C
3
H
4
OBr
1 K CH
3
O[C
2
H
4
O]
n
C
3
H
4
OBr + K
S3 5005 1,02
CH
3
O
C
2
H
4
O
H 1 Na CH
3
O[C
2
H
4
O]
n
H + Na
Average
4974 1,03
Abbildung 4.2-13: Auswertung des MALDI-ToF-Spektrums des O-(2-
Brompropionyl)-PEG-5000-Methylethers
(Matrix: DCTB, Ionisierungsagenz: NaOTf)
Übersichtspektrum (oben links); Auszug aus dem
Spektrum mit Beschriftung der Serien (oben rechts);
Auswertung der einzelnen Serien (Polymerix Software
von Sierra Analytics, unten)
4.2.5. Synthese von PEG-b-PNIPAAm
Nach der polymeranalogen Reaktion trägt der PEG-Monomethylether an einem
Kettenende eine 2-Brompropionyl-Gruppe. Dieses α-akzeptorsubstituierte Alkylhalo-
genid ist strukturell identisch mit dem Methyl-2-brompropionat, welches zur Homo-
polymerisation von NIPAAm verwendet wurde (vgl. Abschnitt 3.4.3 und 4.2.1).
Lediglich im Alkoholteil weisen beide Ester Unterschiede auf. Dennoch sollte auch
der PEG-Makroinitiator für die Polymerisation von NIPAAm mit dem CuBr/Me
6
Tren-
Katalysatorkomplex in Isopropanol/Wasser (v/v 5:1) geeignet sein.
0
50000
100000
150000
200000
250000
300000
3700 4200 4700 5200 5700 6200
Intensität
m/z
4937,583
4946,742
4962,621
4981,610
4990,747
5006,634
5025,614
5034,792
5050,749
0
50000
100000
150000
200000
250000
300000
4930 4950 4970 4990 5010 5030 5050
Intensität
m/z
S1
S2 S3
Auswertung und Diskussion 125
OO
O
Br
O
H
N
OO
O
X
OHN
+113
113 n
CuBr, Me
6
Tren
iPrOH / H
2
O (5:1)
0 °C
Endgruppe (X)
Abbildung 4.2-14: Synthese von PEG-b-PNIPAAm
Abbildung 4.2-15: Molekulargewichtsverteilungen für den PEG-Makro-
initiator und die PEG-b-PNIPAAm Copolymere als
Ergebnis der GPC (Eluent: DMAc, PMMA-Kalibrierung)
Tabelle 4.2-4: Ergebnisse der Polymerisation von NIPAAm mit Hilfe des PEG-5000-
Makroinitiators (Kat: CuBr; Ligand: Me
6
Tren; LM: iPrOH/H
2
O (v/v 5:1))
Probe [M]/[K]/[L]/[I]
U
a
[%] η
ηη
η
abs
[%]
113:n
b
(NMR,abs)
M
n,theorc
[g/mol]
M
n,NMRd
[g/mol]
M
n,GPCe
[g/mol]
D
e
PEGbPN1
100/1/1/1 96 71 113:109
15600 17300 21700 1,17
PEGbPN2
50/1/1/1 90 73 113:50 9800 10600 16300 1,13
PEGbPN3
25/1/1/1 88 78 113:23 7200 7600 12200 1,12
PEGMI - - - - 5000 7600 1,06
a
Umsatz an NIPAAm bestimmt aus
1
H-NMR-Spektrum
b
absolutes Blocklängenverhältnis bestimmt aus
1
H-NMR-Spektrum bei bekannter Länge des
PEG-Blocks
c
theoretische zahlenmittlere Molmasse aus der direkten Proportionalität zum Umsatz
d
zahlenmittlere Molmasse aus dem absoluten Blocklängenverhältnis
e
über GPC ermittelt (Eluent: DMAc, PMMA-Kalibrierung)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1000 10000 100000
normierte Intensität
Molekulargewicht [g/mol]
PEG-5000 Makroinitiator
PEGbPN1
PEGbPN2
PEGbPN3
Auswertung und Diskussion 126
Insgesamt wurden 3 verschiedene Blockcopolymere mit variierender Blocklänge des
PNIPAAm-Blocks hergestellt. Abbildung 4.2-15 zeigt die Molekulargewichtsver-
teilungen für die Blockcopolymere und den PEG-5000-Makroinitiator. Mit
ansteigender Länge des PNIPAAm-Blocks ist erwartungsgemäß eine deutliche
Verschiebung der Verteilungen zu höheren Molmassen zu beobachten. Dies
bestätigt die Bildung von Blockcopolymeren. Des Weiteren ist jedoch auch ein
Auslaufen der Verteilungen bei niedrigen Molmassen zu beobachten, welches auf
das Vorhandensein von nicht modifiziertem PEG-5000-Monomethylether hinweist.
Angesichts des Veresterungsgrads von 95 % bei der Modifizierung des PEG-Mono-
methylethers sind Reste an nicht modifizierten PEG-Ketten auch zu erwarten (vgl.
Abschnitt 4.2.4).
Tabelle 4.2-4 stellt einige Ergebnisse der ATRP für die hergestellten Blockcopoly-
mere zusammen. Zunächst erkennt man, dass auch der Einsatz des PEG-5000-
Makroinitiators mit dem beschriebenen ATRP-System zu hohen Umsätzen an
NIPAAm von teilweise über 90 % führt. Die Ausbeuten liegen mit Werten zwischen
70 und 80 % etwas niedriger als bei den PNIPAAm-Homopolymeren, sie bewegen
sich dennoch in einem für die Synthese von Blockcopolymeren sehr guten Bereich.
Die angegebenen absoluten Blocklängenverhältnisse zeigen sehr deutlich, dass die
Länge des PNIPAAm-Blocks sehr gut durch das Monomer/Initiator-Verhältnis
eingestellt werden kann. Sowohl aus den Monomerumsätzen als auch aus den
absoluten Blocklängenverhältnissen lassen sich nun die zahlenmittleren Molmassen
der Blockcopolymere berechnen und mit den Ergebnissen der GPC vergleichen.
Dabei zeigt sich, dass die zahlenmittleren Molmassen aus den GPC-Messungen
systematisch höher liegen, was der relativen Molekulargewichtsbestimmung
geschuldet ist. Die theoretischen zahlenmittleren Molmassen, die sich aus der
direkten Proportionalität zum Monomerumsatz ergeben, stimmen jedoch sehr gut mit
den mittleren Molmassen überein, die sich aus den absoluten Blocklängen
berechnen lassen. Mit steigender Länge des PNIPAAm-Blocks ist auch ein Anstieg
der Polydispersitäten zu beobachten. Dies lässt sich durch den geringen Anteil an
nicht modifizierten PEG-Ketten erklären, die zu einer Verbreiterung der Molekularge-
wichtsverteilung führen. Dennoch liegen alle Polydispersitäten mit Werten deutlich
unter 1,2, in einem für Blockcopolymere sehr guten Bereich.
Auswertung und Diskussion 127
4.2.6. Synthese von PSKA-b-PNIPAAm
O
O
O
O
Br
O
O
OO
O
O
EBrIB, CuBr, PMDETA
m
Ph
2
O, 90 °C, 1 h
Br
O
O
OO
O
O
m
OX
O
OO
ON
H
O
O
mn
+
H
N
O
CuBr, Me
6
Tren
iPrOH / H
2
O (5:1)
0 °C, 19 h Endgruppe (X)
Abbildung 4.2-16: Synthese von PSKA-b-PNIPAAm
Bei der Homopolymerisation von Solketalacrylat mit einem CuBr/PMDETA-Katalysa-
torkomplex in Diphenylether konnten alle charakteristischen Merkmale eine
kontrolliert radikalischen Polymerisation nachgewiesen werden (vgl. Abschnitt 4.2.3).
Durch ein „self-blocking“-Experiment konnte auch gezeigt werden, dass die Endgrup-
pen der wachsenden Polymerkette nicht nur in der Reaktionslösung stabil sind,
sondern auch zum Großteil die übliche Aufarbeitungsprozedur überstehen. Schaut
man sich nun die Alkylhalogenid-Gruppe der „schlafenden“ PSKA-Kette an, so stellt
man eine strukturelle Ähnlichkeit zum Methyl-2-brompropionat fest, welches als
Inititiator bei der Homopolymerisation von NIPAAm eingesetzt wurde (vgl. Abschnitt
4.2.1). Somit besteht die Möglichkeit, dass die PSKA-Homopolymere mit ihrer
Alkylbromid-Endgruppe als Makroinitiatoren bei der Polymerisation von NIPAAm ein-
gesetzt werden können. Auf diese Weise wären PSKA-b-PNIPAAm Copolymere
zugänglich. Voraussetzung ist jedoch die Löslichkeit der PSKA-Homopolymere in
dem Gemisch aus Isopropanol und Wasser (v/v 5:1).
In Analogie zu dem „self-blocking“-Experiment wurden im Rahmen dieser Arbeit
PSKA-Homopolymere synthetisiert. Anschließend wurde das Polymer aufgearbeitet,
Auswertung und Diskussion 128
um die Monomerreste und den Katalysatorkomplex abzutrennen. Danach wurde das
aufgereinigte Polymer in Isopropanol/Wasser (v/v 5:1) gelöst und als Makroinititiator
für die ATRP von NIPAAm mit einem CuBr/Me
6
Tren-Katalysatorkomplex verwendet.
Abbildung 4.2-17: Molekulargewichtsverteilungen für das PSKA-
Homopolymer und die PSKA-b-PNIPAAm Copolymere
als Ergebnis der GPC (Eluent: DMAc; PMMA-
Kalibrierung)
Tabelle 4.2-5: Ergebnisse der Blockcopolymerisation von SKA und NIPAAm
Probe
PSKA PSKA-b-PNIPAAm
[M]/[K]/[L]/[I]
U
a
M
n,GPCc
D
c
[M]/[K]/[L]/[I] U
b
M
n,GPCc
D
c
[%]
[g/mol]
[%]
[g/mol]
PSKAbPN1
50 / 1 / 1 / 1 82
6300 1,14
50 / 1 / 1 / 1 94 18200 1,35
PSKAbPN2
50 / 1 / 1 / 1 89
6100 1,16
25 / 1 / 1 / 1 96 14200 1,42
CuBr/PMDETA; Ph
2
O; t = 1 h; ϑ = 90 °C CuBr/Me
6
Tren; iPrOH/H
2
O; t = 16 h; ϑ = 0 °C
a
Umsatz an SKA bestimmt über
1
H-NMR-Spektroskopie
b
Umsatz an NIPAAm bestimmt über
1
H-NMR-Spektroskopie
c
ermittelt über GPC (Eluent: DMAc, PMMA-Kalibrierung)
Abbildung 4.2-17 beinhaltet die Molekulargewichtsverteilungen für ein PSKA-Homo-
polymer und die beiden PSKA-b-PNIPAAm Copolymere. Bei den Blockcopolymeren
ist eine deutliche Verschiebung der Verteilung zu höheren Molmassen zu beob-
achten, sodass man auf die Bildung von Blockcopolymeren schließen kann. Dennoch
weisen beide Verteilungen eine Bimodalität auf, die auf Reste an PSKA-Homopoly-
merketten zurückzuführen ist. Daran wird deutlich, dass zwar ein Großteil, aber nicht
alle Alkylbromid-Endgruppen den Aufarbeitungsprozess der PSKA-Homopolymere
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1000 10000 100000
normierte Intensität
Molekulargewicht [g/mol]
PSKA
PSKAbPN1b
PSKAbPN2b
Auswertung und Diskussion 129
überstehen. Anhand von Tabelle 4.2-5 zeigt sich, dass bei der Homopolymerisation
von SKA bereits nach 1 h Reaktionszeit hohe Monomerumsätze von über 80 %
erreichen lassen. Die PSKA-Homopolymere weisen dabei eine zahlenmittlere
Molmasse von ca. 6200 g/mol und eine Polydispersität von ca. 1,15 auf. Nach
Aufarbeitung der PSKA-Homopolymere war der Restgehalt an SKA vernachlässigbar
gering, was mithilfe der
1
H-NMR-Spektroskopie gezeigt werden konnte. Bei der
Blockcopolymerisation mit NIPAAm wurde die Länge des NIPAAm-Blocks variiert.
Die Umsätze an NIPAAm liegen stets signifikant über 90 %. Damit liegen sie deutlich
höher als bei der Synthese von PSKA-b-PNIPAAm über Alkylchlorid-funktionalisierte
PSKA-Homopolymere in DMSO.
225
Infolge der beschriebenen Bimodalität liegen die
Polydispersitäten der Blockcopolymere mit 1,42 und 1,35 verhältnismäßig hoch.
Die Herausforderung liegt nun in der Abtrennung der PSKA-Homopolymerketten.
Dazu wurde das Gemisch aus Block- und Homopolymer in kaltem Wasser gelöst.
Während die PSKA-Homopolymere wasserunlöslich sind, sollten die Blockcopoly-
mere durch Aggregation wasserlöslich sein. Dabei werden die Aggregate durch den
in kaltem Wasser löslichen PNIPAAm-Block stabilisiert. Eine anschließende
Trennung durch Zentrifugation sowie Gefriertrocknung brachte jedoch keine sicht-
bare Veränderung in der Molekulargewichtsverteilung des Produkts. Vermutlich
werden die unlöslichen PSKA-Homopolymerketten in den Blockcopolymer-Aggrega-
ten so gut solubilisiert, dass eine Trennung auf diesem Wege nicht möglich ist. Aus
diesem Grund wird das Gemisch aus PSKA-Homo- und Blockcopolymer hydrolysiert,
um die Acetal-Schutzgruppe abzuspalten. Im Anschluss daran wird erneut versucht,
das Homopolymer vom Blockcopolymer abzutrennen.
4.2.7. Hydrolyse von PSKA-b-PNIPAAm zu PDHPA-b-PNIPAAm
Eine Optimierung der Reaktionsbedingungen für die saure Acetalspaltung an PSKA-
Homo- und Blockcopolymeren wurde bereits in der Dissertation von Martin Kipping
aus dem Jahr 2008 beschrieben.
225
Dabei zeigte sich, dass durch Hydrolyse des
Acetals in einem Eisessig/THF-Gemisch durch Zusatz von Wasser eine quantitative
Entschützung erzielt werden kann, ohne dass Vernetzungsreaktionen auftreten.
Auswertung und Diskussion 130
OX
O
OO
ON
H
O
O
mn
Endgruppe (X)
OX
O
OO
ON
H
OH
OH
mn
Endgruppe (X)
Eisessig
THF/H2O
90 °C, 6 h
Abbildung 4.2-18: Hydrolyse von PSKA-b-PNIPAAm zu PDHPA-b-
PNIPAAm
Diese Bedingungen wurden für die vorliegende Arbeit übernommen. Abbildung
4.2-19(links) zeigt die Molekulargewichtsverteilung des Gemisches aus PSKA-
Homopolymer und PSKA-
b
-PNIPAAm-Blockcopolymer vor und nach der Hydrolyse
des Acetals. Nach Entfernen der Acetalschutzgruppe resultiert eine scheinbar engere
Molekulargewichtsverteilung. Da sich jedoch weder das Verhältnis von Homo- zu
Blockcopolymer noch der Polymerisationsgrad unter den gegebenen Reaktions-
bedingungen ändern, basiert die scheinbar geringere Polydispersität auf dem
relativen Charakter der GPC. Durch die Hydrolyse entsteht aus dem Poly-
solketalacrylat das Poly(2,3-dihydroxypropylacrylat), welches nun polare und
protische Hydroxylgruppen trägt. Dadurch ändern sich die Wechselwirkungen
zwischen den Polymerketten und dem Lösungsmittel, sodass sich auch das
hydrodynamische Volumen des Makromoleküls in Lösung ändert. Genau diese
Dimensionsänderung wird mittels GPC untersucht. Das Ausmaß der Dimensions-
änderung hängt auch davon ab, ob es sich bei dem Polymer um ein PSKA-Homo-
polymer oder um ein PSKA-
b
-PNIPAAm-Blockcopolymer handelt. Insgesamt lässt
sich beobachten, dass die Hydrolyse des Acetals bei PSKA-Homopolymeren zu einer
deutlichen Vergrößerung des hydrodynamischen Radius führt, sodass deren relative
Molekulargewichtsverteilung stärker mit der Verteilung der PDHPA-
b
-PNIPAAm-
Blockcopolymere überlappt und sich somit eine scheinbar engere Gesamtmolekular-
gewichtsverteilung ergibt.
Die vollständige Hydrolyse des Acetals konnte mit Hilfe der
1
H-NMR-Spektroskopie
nachgewiesen werden. Abbildung 4.2-19 (rechts) zeigt einen Ausschnitt aus den
1
H-
NMR-Spektren vor (a) und nach (b) dem Entschützen der Hydroxylgruppen. Nach
der Hydrolyse des Acetals lassen sich keine Signale der beiden Methyl-Gruppen des
Auswertung und Diskussion 131
Acetals bei 1,27 und 1,33 ppm mehr erkennen, sodass man von einer vollständigen
Acetalspaltung ausgehen kann.
Abbildung
4.2
-
19
links:
Molekulargewichtsverteilung des
PSKA-b-PNIPAAm vor (▲) und nach (♦) der
Hydrolyse des Acetals als Ergebnis der GPC-
Untersuchung (Eluent: DMAc; PMMA-
Kalibrierung)
rechts: Ausschnitt aus dem
1
H-NMR-Spektrum des
PSKA-b-PNIPAAm vor (a) und nach (b) der
Hydrolyse des Acetals
Wie man anhand der Bimodalität der Molekulargewichtsverteilung aus Abbildung
4.2-19 deutlich erkennen kann, befindet sich auch nach der Acetalspaltung noch ein
geringer Anteil an Homopolymeren im Produkt. Aus den hydrophoben PSKA-Homo-
polymeren sind nach der Hydrolyse des Acetals hydrophile PDHPA-Homopolymere
geworden. Diese grundlegende Änderung der Lösungseigenschaften eröffnet nun
eine weitere Möglichkeit, die PDHPA-Homopolymere von den PDHPA-b-PNIPAAm-
Blockcopolymeren abzutrennen (Abbildung 4.2-20).
Das Gemisch aus PDHPA-Homopolymer und PDHPA-b-PNIPAAm-Blockcopolymer
wird in Wasser gelöst und auf 50 °C erhitzt. Dabei wird die kritische Phasenüber-
gangstemperatur des PNIPAAm-Blocks überschritten, sodass dieser Block wasser-
unlöslich wird. Da der PDHPA-Block hydrohil bleibt, entstehen makromolekulare
Amphiphile, die sich zusammenlagern. Der Kern dieser Aggregate wird durch die
hydrophoben PNIPAAm-Ketten gebildet, während die PDHPA-Blöcke das gebildete
Aggregat in der wässrigen Phase stabilisieren. Die durch die PDHPA-b-PNIPAAm-
Blockcopolymere gebildeten Aggregate weisen einen erheblichen Dimensionsunter-
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1000 10000 100000
normierte Intensität
Molekulargewicht [g/mol]
PSKAbPN2b
PSKAbPN2b-nE
a
b
Auswertung und Diskussion 132
schied zu sich in Lösung befindlichen PDHPA-Homopolymeren auf. Dieser Größen-
unterschied kann nun durch eine Dialyse gegen Wasser bei 50 °C mit einer
großporigen Dialysemembran ausgenutzt werden. Dabei diffundieren die PDHPA-
Homopolymere durch die Poren der Membran, während die großen Blockcopolymer-
Aggregate durch den Dialyseschlauch zurückgehalten werden. Im Anschluss an die
Dialyse lassen sich die abgetrennten Blockcopolymere durch Gefriertrocknung der
wässrigen Lösung aus dem Dialyseschlauch erhalten.
Abbildung 4.2-20: Ansatz zur Abtrennung der PDHPA-Homopolymere
von den PDHPA-b-PNIPAAm-Blockcopolymeren
Abbildung 4.2-21: Molekulargewichtsverteilung der PSKA-b-PNIPAAm
(▲) sowie der PDHPA-b-PNIPAAm vor (♦) und nach (●)
der Dialyse gegen Wasser bei 50 °C als Ergebnisse der
GPC (Eluent: DMAc; PMMA-Kalibrierung)
Abbildung 4.2-21 zeigt die Molekulargewichtsverteilung der PDHPA-b-PNIPAAm-
Blockcopolymere vor und nach der Dialyse gegen Wasser bei 50 °C. Nach der
Dialyse erkennt man eine deutlich engere Molekulargewichtsverteilung. Die Schulter,
die man vor der Dialyse erkennen kann und die auf das Vorhandensein von PDHPA-
Lösen in
Wasser
bei 50 °C
PDHPA
PDHPA-b-PNIPAAm
Dialyse bei 50 °C mit
großporiger Membran
(MWCO 50 kDa)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1000 10000 100000
normierte Intensität
Molekulargewicht [g/mol]
PSKAbPN2b
PSKAbPN2b-nE
PSKAbPN2b-nE-nD50
Auswertung und Diskussion 133
Homopolymeren hindeutet, ist nach der Dialyse fast vollkommen verschwunden.
Damit ist der Abtrennung der PDHPA-Homopolymere durch Dialyse gelungen,
sodass jetzt fast ausschließlich PDHPA-b-PNIPAAm-Blockcopolymere im Produkt
vorliegen. Auf diese Weise wurden zwei PDHPA-b-PNIPAAm-Blockcopolymere
hergestellt (Tabelle 4.2-6).
Tabelle 4.2-6: Übersicht über die synthetisierten PDHPA-b-PNIPAAm-Blockcopolymere
Probe
PSKA-b-PNIPAAm PDHPA-b-PNIPAAm
Probe
M
n,GPCa
D
a
m:n
b
M
n,GPCa
D
a
[g/mol] (rel.) [g/mol]
PSKAbPN1
18200 1,35 1,0:2,3
20700 1,28
PDHPbPN1
PSKAbPN2
14200 1,42 1,0:1,2
23900 1,24
PDHPbPN2
a
ermittelt über GPC (Eluent: DMAc, PMMA-Kalibrierung)
b
relatives Verhältnis von m (zahlenmittlere Polymerisationsgrad des PDHPA-Blocks) zu n
(zahlenmittlerer Polymerisationsgrad des PNIPAAm-Blocks) bestimmt mithilfe der
1
H-NMR-
Spektroskopie
Tabelle 4.2-6 zeigt, dass durch die beschriebene Hydrolyse der Acetale und
anschließende Dialyse PDHPA-b-PNIPAAm-Blockcopolymere mit einer engen
Molekulargewichtsverteilung (D < 1,3) hergestellt wurden. Anstatt der erwarteten
Verringerung des Molelulargewichts zeigt die GPC einen Anstieg der zahlenmittleren
Molmasse, der jedoch mit einer Zunahme des hydrodynamischen Radius infolge
veränderter Lösungseigenschaften erklärt werden kann (Diskussion s. o.). Die beiden
PDHPA-b-PNIPAAm-Blockcopolymere weisen ein unterschiedliches Längenver-
hältnis des PDHPA- und PNIPAAm-Blocks auf.
4.2.8. Synthese von PNIPAAm-b-PDMAAm
Aus Abschnitt 4.2.1 und 4.2.2 geht hervor, dass sich ein Katalysatorkomplex
bestehend aus Kupfer(I)-bromid und Me
6
Tren in einem Lösungsmittelgemisch aus
Isopropanol und Wasser (v/v 5:1) hervorragend für die ATRP von NIPAAm und
DMAAm eignet. Für die ATRP von NIPAAm konnten alle Kriterien einer kontrollierten
Polymerisation nachgewiesen werden. Die Monomerumsätze lagen mit bis zu 99 %
bei der ATRP von NIPAAm etwas höher als bei der ATRP von DMAAm. Sogar bei
diesen hohen Umsätzen konnte nachgewiesen werden, dass immer noch ein
Auswertung und Diskussion 134
Großteil der Endgruppen bei den PNIPAAm-Homopolymeren aktiv ist, sodass bei
weiterer Monomerzugabe die Polymerketten weiter wachsen können. Somit sind alle
Kriterien erfüllt, um mit Hilfe dieses ATRP-Systems PNIPAAm-b-PDMAAm-Block-
copolymere durch sequentielle Monomerzugabe herstellen zu können.
H
N
O
Br
O
O
ONH
O
O
ONH
X
ON
MBP, CuBr, Me
6
Tren
iPrOH/H
2
O (5:1)
0 °C, 18 h
N
O
m
mn
CuBr
Me
6
Tren
iPrOH/H
2
O (5:1)
0 °C, 1 h
Endgruppe (X)
Abbildung 4.2-22: Synthese von PNIPAAm-b-PDMAAm durch
sequentielle Monomerzugabe
Bei dieser Art der Blockcopolymersynthese wird zunächst das Monomer für den
ersten Block polymerisiert. Nach möglichst quantitativem Umsatz wird das Monomer
für den zweiten Block direkt zum Reaktionsgemisch gegeben, um die Polymerisation
fortzuführen. Für den Fall des beschriebenen CuBr/Me
6
Tren-Katalysatorkomplexes in
Isopropanol/Wasser (v/v 5:1) empfiehlt es sich aufgrund der besseren Umsätze mit
der ATRP von NIPAAm anzufangen, um die Bildung eines Copolymers im zweiten
Block zu verhindern. Nun stellt sich die Frage nach dem Zeitpunkt der Zugabe des
DMAAm für den zweiten Block. Dabei gilt es das Optimum zwischen einem möglichst
quantitativen Umsatz an NIPAAm auf der einen Seite und einer möglichst großen
Anzahl an aktiven Endgruppen auf der anderen Seite zu finden, denn es hat sich
gezeigt, dass die Alkylbromid-Endgruppen der PNIPAAm-Homopolymere in diesem
ATRP-Reaktionsgemisch nicht unbegrenzt stabil sind.
Auswertung und Diskussion 135
Tabelle 4.2-7: Übersicht über die Reaktionsbedingungen bei der sequentiellen Polymerisation
von NIPAAm und DMAAm
(LM: iPrOH/H
2
O (v/v 5:1), θ
θθ
θ = 0 °C, K = CuBr, L = Me
6
Tren, I = MBP)
Probe ATRP-Reaktionsgemisch
PNIPAAm PNIPAAm-b-PDMAAm
[M]/[K]/[L]/[I]
t
[h]
Umsatz
(NIPAAm)
a
[%] [M]/[K]/[L]/[I]
t
[h]
Umsatz
(NIPAAm)
a
[%] x
b
Umsatz
(DMAAm)
a
[%]
PNbPDM1
50/1/1/1 1 98,2 50/1/1/1 15
98,7 0,25
68,3
PNbPDM2
50/1/1/1 1 98,0 50/2/2/1 18
98,9 0,45
82,2
PNbPDM3
50/1/1/1 1 96,5 100/2/2/1 18
97,7 0,60
73,8
PNbPDM4
25/1/1/1 0,5
95,0 100/2/2/2 18
96,6 0,40
71,3
a
bestimmt mit Hilfe der
1
H-NMR-Spektroskopie
b
Anzahl von NIPAAm-Einheiten im PDMAAm-Block (errechnet aus der Umsatzänderung von
NIPAAm vor und nach der DMAAm-Polymerisation)
Bei einem Monomer/Initiator-Stoffmengenverhältnis von 50:1 für die ATRP von
NIPAAm beobachtet man bereits nach 1 h einen Monomerumsatz von deutlich über
95 % (Tabelle 4.2-7). Senkt man das Monomer/Initiator-Stoffmengenverhältnis auf
25:1 genügt bereits eine Reaktionszeit von 30 min, um einen Monomerumsatz von
95 % zu erzielen. Gibt man nun nach dieser Zeit das DMAAm als zweites Monomer
direkt zum Reaktionsgemisch dazu, so wird dieses ebenfalls polymerisert. Mit Hilfe
der
1
H-NMR-Spektroskopie ergeben sich für die ATRP von DMAAm Monomer-
umsätze von über 68 %. Dies bedeutet, dass zumindest einige der PNIPAAm-
Homopolymerketten über ein aktives Kettenende verfügen und mit dem DMAAm zu
Blockcopolymeren reagieren. Da jedoch das NIPAAm im ersten Polymersiations-
schritt nicht vollständig umgesetzt wurde, besteht die Möglichkeit, dass bei der
Polymerisation von DMAAm auch noch vereinzelt NIPAAm-Einheiten eingebaut
werden. Aus der Umsatzänderung des NIPAAm vor und nach der Polymerisation des
DMAAm lässt sich die Änderung der zahlenmittleren Molmasse bzw. des
zahlenmittleren Polymerisationsgrads für das PNIPAAm berechnen (Gleichung 2).
Diese Änderung entspricht der Anzahl der NIPAAm-Einheiten (x), die in PDMAAm-
Block eingebaut wurden. In Tabelle 4.2-7 ist zu erkennen, dass im Mittel deutlich
weniger als 1 NIPAAm-Einheit in den gesamten PDMAAm-Block eingebaut worden
ist. Daher kann man hier wirklich von einer Blockstruktur des Copolymers sprechen.
Um einen Eindruck zu bekommen, wieviele der PNIPAAm-Homopolymerketten mit
DMAAm zu PNIPAAm-b-PDMAAm-Blockcopolymeren weiterreagiert haben, muss
Auswertung und Diskussion 136
man sich die Molekulargewichtsverteilung der Polymere vor und nach der Poly-
merisation von DMAAm anschauen (Abbildung 4.2-23).
Abbildung 4.2-23: Molekulargewichtsverteilung der PNIPAAm-
Homopolymere (♦) und PNIPAAm-b-PDMAAm-
Blockcopolymere nach der Polymerisation von
DMAAm (■) als Ergebnisse der GPC (Eluent: DMAc;
PMMA-Kalibrierung)
In Abbildung 4.2-23 erkennt man nach der Polymerisation des DMAAm eine
deutliche Verschiebung der Molekulargewichtsverteilung zu höheren Molmassen im
Vergleich zu den PNIPAAm-Homopolymeren. Dies zeigt, dass ein Großteil der
PNIPAAm-Homopolymerketten zu PNIPAAm-b-PDMAAm-Blockcopolymeren weiter-
reagiert hat. Dennoch zeigt die Molmassenverteilung der Polymere nach der
DMAAm-Polymerisation eine Schulter bei der mittleren Molmasse der PNIPAAm-
Homopolymere. Daran ist zu erkennen, dass dennoch ein geringer Teil der
PNIPAAm-Ketten nicht mehr aktiv waren und somit nicht mit dem zugegebenen
DMAAm weiterreagiert haben. Tabelle 4.2-8 zeigt eine Übersicht der GPC-
Ergebnisse für alle durchgeführten sequentiellen Polymerisationen. Dabei werden die
mittleren Molmassen und Polydispersitäten vor und nach der DMAAm-Polymerisation
gegenübergestellt. Für alle Proben beobachet man eine signifikante Erhöhung der
mittleren Molmasse nach der Zugabe des DMAAm, was auf die Bildung von
PNIPAAm-b-PDMAAm-Blockcopolymeren hindeutet. Jedoch beobachtet man auch
für alle Proben eine Erhöhung der Polydispersität und damit eine Verbreiterung der
Molmassenverteilung. Dies ist teilweise auf die Anwesenheit von inaktiven
PNIPAAm-Homopolymerketten im Produkt zurückzuführen.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1000 10000 100000
normierte Intensität
Molekulargewicht [g/mol]
PNbPDM2a
PNbPDM2b
Auswertung und Diskussion 137
Tabelle 4.2-8: Überblick über die mittleren Molmassen und
Polydispersitäten der Polymere vor und nach der DMAAm-
Polymerisation
Probe ATRP-Reaktionsgemisch
PNIPAAm PNIPAAm-b-PDMAAm
M
n,GPCa
[g/mol]
D
a
M
n,GPCa
[g/mol] D
a
PNbPDM1
8500 1,12
13100 1,21
PNbPDM2
8500 1,12
12900 1,26
PNbPDM3
8100 1,12
16100 1,39
PNbPDM4
4400 1,14
14900 1,47
a
ermittelt über GPC (Eluent: DMAc, PMMA-
Kalibrierung)
Nun gilt es einen Weg zu finden, um die PNIPAAm-Homopolymerketten aus dem
Produkt zu entfernen und somit auch eine engere Molmassenverteilung des Produkts
zu erhalten. Hierbei kann man sich das LCST-Verhalten des PNIPAAm zunutze
machen. Das Produkt, bestehend aus PNIPAAm-Homopoplymeren und PNIPAAm-b-
PDMAAm-Blockcopolymeren, wird in kaltem Wasser vollständig gelöst. Im Anschluss
wird die Polymerlösung auf 50 °C erhitzt, sodass die kritische Phasenübergangs-
temperatur des PNIPAAm überschritten wird und das PNIPAAm hydrophob wird.
Folglich werden die PNIPAAm-Homopolymere kollabieren und aggregieren. Man
beobachtet eine makroskopische Phasenseparation. Auch die Blockcopolymere
werden aggregieren, wobei die Aggregate jedoch durch den wasserlöslichen
PDMAAm-Block stabilsiert werden und damit nicht ausfallen. Man spricht in diesem
Fall von einer mikroskopischen Phasenseparation. Während die Blockcopolymere in
Lösung bleiben, lassen sich die ausgefallenen PNIPAAm-Homopolymere durch
Zentrifugieren bei 50 °C abtrennen. Die in Lösung gebliebenen PNIPAAm-b-
PDMAAm-Blockcopolymere werden durch abschließende Gefriertrocknung erhalten.
Anhand von Abbildung 4.2-24 ist zu erkennen, dass die Molekulargewichtsverteilung
des Produkts nach der Zentrifugation bei 50 °C deutlich schmaler wird, da die
Schulter im niedermolekuklaren Bereich der Verteilung verschwindet. Folglich ist die
Abtrennung der PNIPAAm-Homopolymere durch Zentrifugation bei 50 °C gelungen.
Tabelle 4.2-9 stellt die wichtigsten Kenngrößen für die synthetisierten Polymere vor
und nach der Zentrifugation gegenüber.
Auswertung und Diskussion 138
Abbildung 4.2-24: Molekulargewichtsverteilung der PNIPAAm-
Homopolymere (♦) und PNIPAAm-b-PDMAAm-
Blockcopolymere vor (■) und nach (●) der
Zentrifugation bei 50 °C als Ergebnisse der GPC
(Eluent: DMAc; PMMA-Kalibrierung)
Tabelle 4.2-9: Gegenüberstellung der Kenngrößen für die Polymere vor und nach der
Zentrifugation bei 50 °C
Probe ATRP-Reaktionsgemisch PNIPAAm-b-PDMAAm nach Aufreinigung
und Zentrifugation
PNIPAAm PNIPAAm-b-PDMAAm
[M]/[K]/[L]/[I]
[M]/[K]/[L]/[I]
M
n,GPCa
[g/mol]
D
a
η
ηη
η
rel
[%]
m:n
b
(NMR,
abs.)
M
n,NMR
[g/mol]
M
n,GPCa
[g/mol]
D
a
PNbPDM1
50/1/1/1 50/1/1/1 13100 1,21
63 43,9:47,4 9700 13400 1,21
PNbPDM2
50/1/1/1 50/2/2/1 12900 1,26
60 42,9:54,0 10200 13900 1,24
PNbPDM3
50/1/1/1 100/2/2/1 16100 1,39
66 47,3:105,7
15800 17600 1,35
PNbPDM4
25/1/1/1 100/2/2/2 14900 1,47
53 23,5:106,3
13200 16500 1,42
a
ermittelt über GPC (Eluent: DMAc, PMMA-Kalibrierung)
b
absolutes Verhältnis von m (zahlenmittlerer Polymerisationsgrad des PNIPAAm-Blocks) zu n
(zahlenmittlerer Polymerisationsgrad des PDMAAm-Blocks) bestimmt mithilfe der
1
H-NMR-
Spektroskopie
Bei allen vier synthetisierten PNIPAAm-b-PDMAAm-Blockcopolymeren erkennt man
nach der Zentrifugation bei 50 °C eine geringe Erhöhung der mittels GPC
bestimmten zahlenmittleren Molmasse sowie eine leichte Verringerung der Poly-
dispersität. Beides ist darauf zurückzuführen, dass die PNIPAAm-Homopolymere
durch die Zentrifugation bei 50 °C von Blockcopolymeren abgetrennt werden
konnten. Da man in den
1
H-NMR-Spektren der Blockcopolymere die Signale der
Initiatorgruppen am Anfang der Polymerketten identifizieren kann, lassen sich die
absoluten Blocklängen der PNIPAAm- und PDMAAm-Blöcke berechnen. Die
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1000 10000 100000
normierte Intensität
Molekulargewicht [g/mol]
PNbPDM2a
PNbPDM2b
PNbPDM2b-nZ
Auswertung und Diskussion 139
absoluten Blocklängenverhältnisse für alle vier Blockcopolymere sind ebenfalls in
Tabelle 4.2-9 dargestellt. Dabei varriert das Blocklängenverhältnis PNIPAAm zu
PDMAAm von 43:54 über 47:106 zu 24:106. Diese Blocklängen lassen sich sehr gut
durch das gewählte Stoffmengenverhältnis von Monomer zu Initiator ([M]/[I]) einstel-
len. Mit den über
1
H-NMR-Spektroskopie ermittelten absoluten Blocklängen ist man
nun in der Lage die zahlenmmittleren Molmassen zu berechnen und mit den Er-
gebnissen der GPC zu vergleichen. Dieser Vergleich zeigt eine systematische
Abweichung der mittels GPC ermittelten zahlenmittleren Molmassen zu höheren
Werten, was wiederum auf den relativen Charakter der Molekulargewichtsbestim-
mung durch GPC zurückzuführen. Schließlich zeigt Tabelle 4.2-9 noch die relativen
Ausbeuten für die Blockcopolymersynthese. Diese Ausbeuten sind auf den tatsäch-
lichen Umsatz bezogen und spiegeln somit nur die Effektivität der Aufreinigung und
Isolierung der Blockcopolymere wieder. Die Werte liegen in einem guten Bereich
zwischen 50 und 70 %.
4.2.9. Copolymerisation von NIPAAm mit MAOLP(Boc,tBu)
Der Einbau des
L
-Prolin-Katalysators in den temperatursensitiven Block soll durch
Copolymerisation des geschützten Methacryloyloxy-
L
-prolins mit NIPAAm erfolgen.
Da der CuBr/Me
6
Tren-Katalysatorkomplex besonders für die ATRP von Acrylamiden
geeignet ist, stellt sich nun die Frage, ob trotz der geringen Mengen an Methacrylat
eine kontrollierte Polymerisation mit diesem Katalysatorsystem erreicht werden kann.
Des Weiteren stellt sich die Frage, ob denn sowohl die Aminogruppe als auch die
Carboxylgruppe des Prolins vor der Polymerisation geschützt werden müssen.
Diesbezüglich hat sich gezeigt, dass das Schützen der Aminogruppe essentiell für
die Stabilität des Monomers ist (siehe Abschnitt 4.1). Testversuche im Rahmen
dieser Arbeit haben ergeben, dass eine Veresterung der Carboxylgruppe ebenfalls
notwendig ist, da sonst die Monomerumsätze infolge der Desaktivierung des Kataly-
sators stark abnehmen.
Auswertung und Diskussion 140
H
N
O
O
ONO
O
OO
X
ONH
OON
O
O
O
O
n mco
O
O
MBP, CuBr, Me
6
Tren
iPrOH/H
2
O (v/v 5:1)
0 °C, 2 h
Endgruppe (X)
+
Abbildung 4.2-25: kontrollierte radikalische Copolymerisation von
NIPAAm mit dem geschützten trans-4-
Methacryloyloxy-
L
-prolin
Die Ergebnisse der GPC-Untersuchung (Abbildung 4.2-26) zeigen für das erhaltene
P(NIPAAm-co-MAOLP(Boc,tBu)) eine monomodale Molekulargewichtsverteilung mit
einer zahlenmittleren Molmasse von 9600 g/mol und einer geringen Polydispersität
von 1,16 (Tabelle 4.2-10). Der Umsatz von NIPAAm ist mit 89 % etwas geringer als
bei der Homopolymerisation von NIPAAm in diesem ATRP-System (vgl. Abschnitt
4.2.1). Der Umsatz an MAOLP(Boc,tBu) kann aus dem
1
H-NMR-Spektrum nicht
bestimmt werden, da die Signale dieses Monomers überlagert sind. Aus dem
Vergleich der absoluten Copolymerzusammensetzung (n:m
abs
) mit der Zusammen-
setzung des Reaktionsgemisches (n:m
theor
) ist jedoch zu erkennen, dass deutlich
weniger MAOLP(Boc,tBu) in das Copolymer eingebaut worden ist als im Reaktions-
gemisch vorhanden war (Tabelle 4.2-10). Dies ist insofern nicht erstaunlich, als das
sich das gewählte CuBr/Me
6
Tren-Katalysatorsystem nicht zur kontrollierten
Polymerisation von Methacrylaten eignet. Dennoch bleibt festzuhalten, dass auf
diesem Wege MAOLP(Boc,tBu) in die PNIPAAm-Kette eingebaut werden kann,
wobei engverteilte Copolymere erhalten werden.
Auswertung und Diskussion 141
Abbildung 4.2-26: Molekulargewichtsverteilung des P(NIPAAm-co-
MAOLP(Boc,tBu)) Copolymers als Ergebnis der GPC
(Eluent: DMAc; PMMA-Kalibrierung)
Tabelle 4.2-10: Ergebnisse der Copolymerisation von NIPAAm (M
1
) mit MAOLP(Boc,tBu) (M
2
)
(LM: iPrOH/H
2
O (v/v 5:1), θ
θθ
θ = 0 °C, t = 2 h, K = CuBr, L = Me
6
Tren, I = MBP)
Probe [M
1
]/[M
2
]/[K]/[L]/[I]
Umsatz
a
(NIPAAm)
[%] n:m
theorb
n:m
absc
M
n,GPCd
[g/mol] D
d
P(NcoMAOLP(g))
50,0/5,8/1/1/1 89 50,0:5,8 39,4:2,7 9600 1,16
a
Umsatz an NIPAAm ermittelt über
1
H-NMR-Spektroskopie;
Umsatz an MAOLP(Boc,tBu) nicht bestimmbar
b
theoretisches Verhältnis von n (zahlenmittlerer Polymerisationsgrad von PNIPAAm) zu m
(zahlenmittlerer Polymerisationsgrad von PMAOLP(Boc,tBu)) bei vollständigem Monomerumsatz
c
absolutes Verhältnis von n (zahlenmittlerer Polymerisationsgrad von PNIPAAm) zu m (zahlenmittlerer
Polymerisationsgrad von PMAOLP(Boc,tBu)) bestimmt mithilfe der
1
H-NMR-Spektroskopie
d
ermittelt über GPC (Eluent: DMAc, PMMA-Kalibrierung)
4.2.10. Synthese von PEG-b-P(NIPAAm-co-MAOLP(Boc,tBu))
Die Synthese von PEG-b-PNIPAAm Blockcopolymeren über PEG-Makroinitiatoren
mit einem CuBr/Me
6
Tren-Katalysatorsystem wird in Abschnitt 4.2.5 beschrieben. Aus
Abschnitt 4.2.9 geht hervor, dass über das gleiche ATRP-System auch P(NIPAAm-
co-MAOLP(Boc,tBu)) Copolymere zugänglich sind. Somit sollte auch möglich sein,
mit diesem CuBr/Me
6
Tren-Katalysatorsystem PEG-b-PNIPAAm Blockcopolymere
herzustellen, bei denen im PNIPAAm-Block durch Copolymerisation mit
MAOLP(Boc,tBu) der geschützte
L
-Prolin-Katalysator immobilisiert ist.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1000 10000 100000
normierte Intensität
Molekulargewicht [g/mol]
(PNcoMAOLP(g))
Auswertung und Diskussion 142
H
N
O
O
ONO
O
OO
X
ONH
OON
O
O
O
O
n mco
CuBr, Me
6
Tren
iPrOH/H
2
O (v/v 5:1)
0 °C, 18 h
Endgruppe (X)
OO
O
Br
113
+
OO
O
113
Abbildung 4.2-27: Synthese von PEG-b-P(NIPAAm-co-PMAOLP(Boc,tBu))
Abbildung 4.2-28: Molekulargewichtsverteilung des PEG-5000-
Makroinitiators (♦) und des PEG-b-P(NIPAAm-co-
PMAOLP(Boc,tBu)) (■) Copolymers als Ergebnis der
GPC (Eluent: DMAc; PMMA-Kalibrierung)
Das Ergebnis der GPC-Untersuchung zeigt für das synthetisierte PEG-
b
-P(NIPAAm-
co
-MAOLP(Boc,
t
Bu)) eine enge Molekulargewichtsverteilung, die gegenüber dem
PEG-Makroinitiator zu höheren Molmassen verschoben ist (Abbildung 4.2-28). Eine
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1000 10000 100000
normierte Intensität
Molekulargewicht [g/mol]
PEG-5000-
Makroinitiator
PEGbP(NcoMAOLP(g))
Auswertung und Diskussion 143
kleine Schulter deutet darauf hin, dass infolge der unvollständigen Funktionalisierung
noch geringe Mengen an unreaktiven PEG-Ketten im Produkt enthalten sind.
Dennoch zeigt das synthetisierte Copolymer eine geringe Polydispersität von 1,16.
Aus Tabelle 4.2-11 wird deutlich, dass der Umsatz an NIPAAm mit 73 % niedriger ist
als bei der Synthese von PEG-b-PNIPAAm (vgl. Tabelle 4.2-4). Der Umsatz an
MAOLP(Boc,tBu) kann aus dem
1
H-NMR-Spektrum nicht bestimmt werden, da die
Signale dieses Monomers überlagert sind. Aus der absoluten Copolymerzusammen-
setzung geht jedoch hervor, dass weniger MAOLP(Boc,tBu) in das Copolymer einge-
baut worden ist als im Reaktionsgemisch vorhanden war. Dieses Phänomen wird
auch bei der Copolymerisation von NIPAAm mit MAOLP(Boc,tBu) beobachtet (vgl.
Abschnitt 4.2.9). Auch hier liegt die Ursache darin, dass sich das gewählte
CuBr/Me
6
Tren-Katalysatorsystem nicht zur kontrollierten Polymerisation von
Methacrylaten eignet. Trotz der etwas geringeren Monomerumsätze verläuft jedoch
die Synthese von PEG-b-P(NIPAAm-co-MAOLP(Boc,tBu)) auf diesem Wege erfolg-
reich. Unter Einbeziehung der etwas geringeren Monomerumsätze entspricht die
ermittelte Absolutzusammensetzung des Copolymers den über die Stöchiometrie des
Reaktionsgemisches eingestellten Verhältnissen.
Tabelle 4.2-11: Ergebnisse der Synthese von PEG-b-P(NIPAAm-co-PMAOLP(Boc,tBu))
(LM: iPrOH/H
2
O (v/v 5:1), θ
θθ
θ = 0 °C, t = 18 h, K = CuBr, L = Me
6
Tren, I = PEG-Br)
Probe [M
1
]/[M
2
]/[K]/[L]/[I]
Umsatz
a
(NIPAAm)
[%]
113:n:m
b
(NMR,abs)
M
n,GPCc
[g/mol]
D
c
PEGbP(NcoMAOLP(g)) 50,0/5,8/1/1/1 73 113:40:4 15300 1,16
a
Umsatz an NIPAAm ermittelt über
1
H-NMR-Spektroskopie;
Umsatz an MAOLP(Boc,tBu) nicht bestimmbar
b
absolutes Verhältnis von n (zahlenmittlerer Polymerisationsgrad von PNIPAAm) zu m
(zahlenmittlerer Polymerisationsgrad von PMAOLP(Boc,tBu)) bestimmt mithilfe der
1
H-
NMR-Spektroskopie
c
ermittelt über GPC (Eluent: DMAc, PMMA-Kalibrierung)
4.2.11. Synthese von P(NIPAAm-co-MAOLP(Boc,tBu))-b-PDMAAm
Bei der Homopolymerisation von NIPAAm mit einem CuBr/Me
6
Tren-Katalysatorsys-
tem in einem Isopropanol/Wasser-Gemisch konnte gezeigt werden, dass die Alkyl-
bromid-Endgruppen trotz hoher Umsätze in der Reaktionslösung größtenteils
temporär stabil bleiben (Abschnitt 4.2.1). Folglich konnten PNIPAAm-b-PDMAAm
Blockcopolymere durch sequentielle Monomerzugabe synthetisiert werden (Abschnitt
4.2.8). Sollten die Alkylbromid-Endgruppen auch bei der Copolymerisation von
Auswertung und Diskussion 144
NIPAAm mit MAOLP(Boc,tBu) in dem beschriebenen ATRP-System hinreichend
stabil sein, dann sollte auch die Synthese von P(NIPAAm-co-MAOLP(Boc,tBu))-b-
PDMAAm Copolymeren durch sequentielle Monomerzugabe möglich sein.
H
N
O
MBP, CuBr, Me
6
Tren
iPrOH/H
2
O (5:1)
0 °C, 18 h
N
O
CuBr
Me
6
Tren
iPrOH/H
2
O (5:1)
0 °C, 50 min
Endgruppe (X)
O
ONO
O
OO
+
Br
ONH
OON
O
O
O
O
n mco
O
O
ONH
OO
N
O
O
O
O
n mco
O
O
X
ON
o
Abbildung 4.2-29: Synthese von P(NIPAAm-co-MAOLP(Boc,tBu))-b-
PDMAAm durch sequentielle Monomerzugabe
Die Ergebnisse der GPC-Untersuchungen zeigen eine enge und monomodale
Molekulargewichtsverteilung für das im ersten Schritt synthetisierte P(NIPAAm-co-
MAOLP(Boc,tBu)) Copolymer (Abbildung 4.2-30). Der Umsatz an NIPAAm beträgt
hierbei 78,0 % (Tabelle 4.2-12). Nach der Zugabe des DMAAm beobachtet man ein
Wachstum fast aller Polymerketten, was sich in einer Verschiebung der Molekular-
gewichtsverteilung zu höheren Molmassen bemerkbar macht. Lediglich eine kleine
Schulter deutet darauf, dass es dennoch einige Polymerketten gibt, die aufgrund der
fehlenden Alkylbromid-Endgruppe nicht weiter wachsen konnten. Dieser geringe
Anteil an nicht weiter gewachsenen Polymerketten konnte durch Zentrifugation bei
ca. 50 °C abgetrennt werden.
Auswertung und Diskussion 145
Abbildung 4.2-30: Molekulargewichtsverteilung des P(NIPAAm-co-
MAOLP(Boc,tBu)) Copolymers (♦) und des P(NIPAAm-
co-MAOLP(Boc,tBu))-b-PDMAAm Copolymers vor (■)
und nach (●) der Zentrifugation bei 50 °C als
Ergebnisse der GPC (Eluent: DMAc; PMMA-
Kalibrierung)
Tabelle 4.2-12: Ergebnisse der Synthese von P(NIPAAm-co-PMAOLP(Boc,tBu))-b-PDMAAm
(LM: iPrOH/H
2
O (v/v 5:1), θ
θθ
θ = 0 °C, K = CuBr, L = Me
6
Tren, I = MBP)
Probe
ATRP
-
Reaktionsgemisch
P(NIPAAm-co-
MAOLP(Boc,tBu)) P(NIPAAm-co-MAOLP(Boc,tBu))-b-PDMAAm
[M
1
]/[M
2
]/[K]/[L]/[I]
[M
3
]/[K]/[L]/[I]
50,0/5,8/1/1/1 100/1/1/1
t
[h] Umsatz
a
(NIPAAm) t
[h]
Umsatz
a
(NIPAAm)
[%] x
b
Umsatz
a
(DMAAm)
[%]
P(NcoMAOLP(g))bPDM 0,83 78,0 18 81,4 1,5 91
a
Umsatz an NIPAAm und DMAAm bestimmt mit Hilfe der
1
H-NMR-Spektroskopie;
Umsatz an MAOLP(Boc,tBu) nicht bestimmbar
b
Anzahl von NIPAAm-Einheiten im PDMAAm-Block (errechnet aus der Umsatzänderung von
NIPAAm vor und nach der DMAAm-Polymerisation)
Nach der Polymerisation von DMAAm ist auch eine Umsatzänderung bei NIPAAm
von 78,0 % auf 81,4 % zu verzeichnen. Dies bedeutet, dass auch etwas NIPAAm in
den PDMAAm-Block eingebaut worden ist. Aus der Umsatzänderung lässt sich
berechnen, dass im statistischen Mittel ungefähr x = 1,5 Einheiten an NIPAAm im
gesamten PDMAAm-Block vorhanden sind. Angesichts dieser geringen Menge kann
man sicher von einer Blockstruktur des Polymers sprechen.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1000 10000 100000
normierte Intensität
Molekulargewicht [g/mol]
P(NIPAAm-co-
MAOLP(Boc,tBu))
P(NcoMAOLP(g))bPDM
P(NcoMAOLP(g))bPDM
nach Zentrifugation
Auswertung und Diskussion 146
Tabelle 4.2-13: zahlenmittlere Molmassen, Polydispersitäten und Copolymerzusammensetzung
bei den einzelnen Schritten der Synthese von P(NIPAAm-co-PMAOLP(Boc,tBu))-
b-PDMAAm
Probe
ATRP-Reaktionsgemisch nach Zentrifugation
P(NIPAAm-co-
MAOLP(Boc,tBu))
P(NIPAAm-co-
MAOLP(Boc,tBu))-
b-PDMAAm
P(NIPAAm-co-MAOLP(Boc,tBu))-b-
PDMAAm
M
n,GPCa
[g/mol] D
a
M
n,GPCa
[g/mol] D
a
n:m:o
b
(NMR, abs.)
M
n,NMRa
[g/mol] M
n,GPCa
[g/mol] D
a
P(NcoMAOLP(g))bPDM
9700 1,14 18200 1,30 43:4:80 14400 19900 1,26
a
ermittelt über GPC (Eluent: DMAc, PMMA-Kalibrierung)
b
absolutes Verhältnis von n (zahlenmittlerer Polymerisationsgrad von PNIPAAm) zu m (zahlenmittlerer
Polymerisationsgrad von PMAOLP(Boc,tBu) zu o (zahlenmittlerer Polymerisationsgrad des
PDMAAm-Blocks) bestimmt mithilfe der
1
H-NMR-Spektroskopie
Tabelle 4.2-13 stellt einige Daten gegenüber, die das bislang gesagte untermauern.
Nach der Zugabe des DMAAm erhöht sich die zahlenmittlere Molmasse deutlich von
9700 g/mol auf 18200 g/mol. Dabei ist auch eine Verbreiterung der Molmassenver-
teilung zu beobachten, die sich in einer Erhöhung der Polydispersität von 1,14 auf
1,30 wiederspiegelt. Nach Abtrennung der nicht weiter gewachsenen Polymerketten
durch Zentrifugation ist ein Anstieg der zahlenmittleren Molmasse auf 19900 g/mol zu
verzeichnen. Die Molmassenverteilung wird enger, sodass die Polydispersität auf
1,26 sinkt. Unter Einbeziehung der etwas geringeren Monomerumsätze entspricht die
ermittelte Absolutzusammensetzung des Copolymers den über die Stöchiometrie des
Reaktionsgemisches eingestellten Verhältnissen.
4.2.12. Entschützen des
L
-Prolin-Katalysators
Während der Synthese des trans-4-Methacryloyloxy-
L
-prolins und dessen Einbau in
die stimuli-sensitiven Polymere müssen sowohl die Aminogruppe als auch die
Carboxylgruppe geschützt werden. Um die katalytische Wirksamkeit des
L
-Prolins
wieder herzustellen, müssen die Schutzgruppen nach der Polymersynthese
abgespalten werden. Das Entfernen der Schutzgruppen sollte möglichst quantitativ,
simultan und ohne großen synthetischen Aufwand erfolgen. Deshalb wurde das
sekundäre Amin als tert-Butylcarbamat (Boc) und die Carboxylgruppe als tert-Butyl-
ester geschützt. Beide Schutzgruppen lassen sich durch säurekatalysierte
Eliminierung entfernen. In der Peptidchemie wird dazu häufig ein Gemisch aus HCl in
Auswertung und Diskussion 147
wasserfreiem Dioxan verwendet. Dies hat den Vorteil, dass das Amin nach dem
Entschützen als Hydrochlorid vorliegt und dass man sowohl das HCl-Gas als auch
das Dioxan unter vermindertem Druck relativ leicht entfernen kann. Testversuche im
Rahmen dieser Arbeit haben jedoch ergeben, dass bei Verwendung von HCl/Dioxan
nicht nur die Schutzgruppen, sondern das gesamte
L
-Prolin vom Polymer abge-
spalten werden.
N
OO
O
O
OON
H
OO
OH
O
TFA
CH
2
Cl
2
, RT, 2 h
Abbildung 4.2-31: Entfernen der Schutzgruppen mit TFA
Eine zweite Methode zur Abspaltung der beiden Schutzgruppen ist die Verwendung
von Trifluoressigsäure (TFA) in Dichlormethan. Dabei trägt das protonierte Amin
nach dem Entschützen Trifluoracetat als Gegenion. Zudem lässt sich zwar das
Dichlormethan aber nicht die überschüssige Trifluoressigsäure unter vermindertem
Druck vollständig entfernen. Die Verwendung eines Gemisches aus gleichen
Volumenteilen TFA und Dichlormethan in deutlichem stöchiometrischen Überschuss
führt bei den P(NIPAAm-
co
-MAOLP(Boc,
t
Bu)) Copolymeren zu einer vollständigen
Entschützung der beiden funktionellen Gruppen. Im Anschluss kann die TFA durch
Ausfällen des Copolymers in n-Hexan sowie anschließende Gefriertrocknung effektiv
entfernt werden. Im
19
F-NMR-Spektrum sind nur noch geringe Spuren an TFA nach-
zuweisen.
Im rechten Teil von Abbildung 4.2-32 ist ein Ausschnitt aus dem
1
H-Spektrum von
P(NIPAAm-
co
-MAOLP) vor (a) und nach (b) dem Entfernen der Schutzgruppen dar-
gestellt. Daraus ist deutlich zu erkennen, dass die Signale der Protonen der beiden
tert
-Butylgruppen (1,40 – 1,50 ppm) nach dem Entschützen verschwinden. Die
übrigen Signale des
L
-Prolins und des Copolymers sind weiter vorhanden. Damit
lässt sich schlussfolgern, dass die Entfernung der Schutzgruppen erfolgreich war,
ohne dass ungewollte Nebenreaktionen (z. B. Abspaltung des
L
-Prolins) stattge-
funden haben. Die Molekulargewichtsverteilung des Copolymers nach dem Entfernen
der Schutzgruppen (Abbildung 4.2-32 links) ist etwas verbreitert, was jedoch auf die
Auswertung und Diskussion 148
ionischen Gruppen im Copolymer (protoniertes Amin, Carboxylat-Anion) und deren
Wechselwirkung mit dem Gel bei der GPC zurückzuführen ist. Eine Fragmentierung
des Copolymers ist nicht zu erkennen.
Abbildung
4.2
-
32
:
links:
Molekulargewichtsverteilung des
P(NIPAAm-co-MAOLP) vor (♦) und nach (■) dem
Entfernen der Schutzgruppen als Ergebnis der
GPC-Untersuchung (Eluent: DMAc; PMMA-
Kalibrierung)
rechts: Ausschnitt aus dem
1
H-NMR-Spektrum des
P(NIPAAm-co-MAOLP) vor (a) und nach (b)
dem Entfernen der Schutzgruppen
Tabelle 4.2-14: Vergleich der Kenngrößen von P(NIPAAm-co-MAOLP) vor und nach dem
Entfernen der Schutzgruppen
Probe
vor dem Entschützen nach dem Entschützen
M
n,GPCa
[g/mol] D
a
n:m
b
(NMR,abs)
M
n,GPCa
[g/mol] D
a
n:m
c
(NMR,abs)
P(NcoMAOLP)
9600 1,16 39,4:2,7 11000 1,29
42,2:2,8
a
ermittelt über GPC (Eluent: DMAc, PMMA-Kalibrierung)
b
absolutes Verhältnis von n (zahlenmittlerer Polymerisationsgrad von PNIPAAm) zu m
(zahlenmittlerer Polymerisationsgrad von PMAOLP(Boc,tBu)) bestimmt mithilfe der
1
H-NMR-
Spektroskopie
c
absolutes Verhältnis von n (zahlenmittlerer Polymerisationsgrad von PNIPAAm) zu m
(zahlenmittlerer Polymerisationsgrad von PMAOLP) bestimmt mithilfe der
1
H-NMR-Spektroskopie
Tabelle 4.2-14 zeigt einen Anstieg der zahlenmittleren Molmasse von 9600 g/mol auf
11000 g/mol nach Entfernung der Schutzgruppen an. Dieser Anstieg ist nur mit Hilfe
des relativen Charakters der Molekulargewichtsbestimmung über die GPC zu er-
klären. Die Copolymerzusammensetzung bleibt im Rahmen der Fehlergrenzen
erwartungsgemäß unverändert.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1000 10000 100000
normierte Intensität
Molekulargewicht [g/mol]
P(NcoMAOLP(g))
P(NcoMAOLP)
a
b
Auswertung und Diskussion 149
Nachdem das Entfernen der Schutzgruppen mit TFA bei den P(NIPAAm-co-MAOLP)
Copolymeren so erfolgreich verlaufen ist, wurde die gleiche Prozedur verwendet, um
die PEG-b-P(NIPAAm-co-MAOLP(Boc,tBu)) Copolymere zu entschützen. Im
1
H-
NMR-Spektrum ist das Verschwinden der Signale für die Protonen der tert-Butylgrup-
pen zu beobachten. Jedoch zeigt die Molekulargewichtsverteilung des entschützten
Copolymers, dass sich das Copolymer zu einem großen Teil unter Freisetzung des
PEG-Blocks zersetzt hat. Die Ursache hierfür liegt in der Estergruppe zwischen dem
PEG-Block und dem P(NIPAAm-co-MAOLP(Boc,tBu))-Block. Dieser Ester könnte
beispielsweise durch Hydrolyse oder säurekatalysierte Eliminierung gespalten
werden. Dieses Phänomen wurde bereits bei der Synthese von PEG-b-
Poly(acrylsäure) über PEG-b-Poly(tert-butylacrylat) beobachtet.
251
Auch eine
Variation der Reaktionsbedingungen (TFA/CH
2
Cl
2
-Verhältnis, Reaktionszeit) brachte
im Rahmen dieser Arbeit keinen Erfolg.
Die Synthese der P(NIPAAm-co-MAOLP(Boc,tBu))-b-PDMAAm Copolymere erfolgt
über ATRP mit sequentieller Monomerzugabe. Demzufolge besteht das Polymerrück-
grat ausschließlich aus stabilen C-C-Bindungen. Damit sollte das Entschützen der
Amino- und Carboxylatgruppe mit TFA keine Fragmentierung des Copolymers zur
Folge haben.
Abbildung 4.2-33 zeigt, dass die Molekulargewichtsverteilung des P(NIPAAm-co-
MAOLP)-b-PDMAAm Copolymers nach Entfernen der Schutzgruppen breiter ist. Dies
ist wiederum mit der Wechselwirkung der ionischen Gruppen mit Gel bei der GPC zu
erklären. Aufgrund der Monomodalität der Verteilung gibt es keine Anzeichen für eine
ungewollte Fragmentierung des Copolymers. Das
1
H-NMR-Spektrum des Copoly-
mers bestätigt den vollständigen Verlust der tert-Butylgruppen. Aus Tabelle 4.2-15
wird ersichtlich, dass die zahlenmittlere Molmasse nach dem Entschützen gering-
fügig abnimmt. Dieser Effekt hängt jedoch auch hauptsächlich mit der Verbreiterung
der Molekulargewichtsverteilung zusammen und weniger mit der Molmassen-
abnahme durch Abspaltung der Schutzgruppen. Die Absolutzusammensetzung des
Copolymers bleibt im Rahmen der Fehlergrenzen erwartungsgemäß konstant.
Auswertung und Diskussion 150
Abbildung 4.2-33: Molekulargewichtsverteilung des P(NIPAAm-co-
MAOLP)-b-PDMAAm vor (♦) und nach (■) dem
Entfernen der Schutzgruppen als Ergebnis der GPC-
Untersuchung (Eluent: DMAc; PMMA-Kalibrierung)
Tabelle 4.2-15: Vergleich der Kenngrößen von P(NIPAAm-co-MAOLP)-b-PDMAAm vor und nach
dem Entfernen der Schutzgruppen
Probe
vor dem Entschützen nach dem Entschützen
M
n,GPCa
[g/mol] D
a
n:m:o
b
(NMR,abs)
M
n,GPCa
[g/mol] D
a
n:m:o
c
(NMR,abs)
P(NcoMAOLP)
bPDM 19900 1,26 43:4:80 18700 1,40
45:3:83
a
ermittelt über GPC (Eluent: DMAc, PMMA-Kalibrierung)
b
absolutes Verhältnis von n (zahlenmittlerer Polymerisationsgrad von PNIPAAm) zu m
(zahlenmittlerer Polymerisationsgrad von PMAOLP(Boc,tBu)) zu o (zahlenmittlerer
Polymerisationsgrad des PDMAAm-Blocks) bestimmt mithilfe der
1
H-NMR-Spektroskopie
c
absolutes Verhältnis von n (zahlenmittlerer Polymerisationsgrad von PNIPAAm) zu m
(zahlenmittlerer Polymerisationsgrad von PMAOLP) zu o (zahlenmittlerer Polymerisationsgrad des
PDMAAm-Blocks) bestimmt mithilfe der
1
H-NMR-Spektroskopie
An dieser Stelle lässt sich zusammenfassend sagen, dass die Entfernung der
Schutzgruppen am
L
-Prolin mit TFA bei den P(NIPAAm-co-MAOLP) und den
P(NIPAAm-co-MAOLP)-b-PDMAAm Copolymeren quantitativ und simultan erfolgt.
Bei den PEG-b-P(NIPAAm-co-MAOLP) Copolymeren findet unter gleichen
Reaktionsbedinungen neben der Schutzgruppenabspaltung auch eine ungewollte
Fragmentierung des Copolymers statt.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
300 3000 30000 300000
normierte Intensität
Molekulargewicht [g/mol]
P(NcoMAOLP(g))bPDM
P(NcoMAOLP)bPDM
Auswertung und Diskussion 151
4.3. Temperaturinduzierte Aggregation der Blockcopolymere in
Wasser
Alle im Rahmen dieser Arbeit synthetisierten Blockcopolymere enthalten einen
temperatursensitiven PNIPAAm-Block. Oberhalb einer kritischen Temperatur (T
cr
)
wird dieser Block wasserunlöslich (vgl. Abschnitt 2.1.1). Als Folge daraus wird aus
dem Blockcopolymer ein makromolekulares Amphiphil, welches in wässriger Lösung
Aggregate bildet (vgl. Abschnitt 2.3.3). Die Morphologie dieser Aggregate ist dabei
abhängig vom Längenverhältnis des hydrophilen und des sensitiven Blocks. Dabei
können sowohl mizellare als auch vesikuläre Aggregate auftreten (vgl. Abschnitt
2.3.2).
Die dynamische Lichtstreuung (DLS) eignet sich gut, um die temperaturinduzierte
Aggregation der temperatursensitiven Blockcopolymere in wässriger Lösung zu
untersuchen. Dabei macht man sich die zeitliche Änderung der Streuintensität in
einem kleinen Teil der Lösung (Streuvolumen) zu nutze. Diese Änderung der
Streuintensität resultiert aus dem Doppler-Effekt bedingt durch die unterschiedliche
Relativbewegung der Streuzentren (Moleküle, Aggregate, Partikel) gegenüber dem
eingestrahlten Laserlicht. Über eine zeitliche Korrelation der Streuintensität lässt sich
eine Korrelationsfunktion ermitteln, aus der man nun den scheinbaren Diffusions-
koeffizienten errechnen kann. Diesem Diffusionskoeffizienten lässt sich über die
Stokes-Einstein-Gleichung ein hydrodynamischer Durchmesser der Teilchen
zuweisen, der ein Maß für die Dimension der Moleküle, Aggregate oder Partikel in
der untersuchten Lösung darstellt. Sollten die Moleküle, Aggregate oder Partikel
hinsichtlich ihrer Dimension uneinheitlich sein, dann lässt sich mit Hilfe der CONTIN-
Analyse aus der Korrelationsfunktion auch eine Verteilung des hydrodynamischen
Durchmessers bestimmen.
Abbildung 4.3-1 zeigt die Ergebnisse der DLS für ein PEG-b-PNIPAAm Copolymer
(Probe PEGbPN1) in wässriger Lösung. Bis zu einer Temperatur von 33 °C sind vor-
wiegend kleine Teilchen in der wässrigen Lösung vorhanden. Der Mittelwert für den
scheinbaren hydrodynamischen Durchmesser liegt bei ca. 17 nm. Im unteren Teil
von Abbildung 4.3-1 ist die Größenverteilung der Teilchen bei einer Temperatur von
30 °C dargestellt. Daraus ist zu erkennen, dass meh rheitlich Teilchen mit einem
hydrodynamischen Durchmesser von 8 nm vorhanden sind. Diese Spezies entspricht
den einzelnen Blockcopolymeren in Lösung. Außerdem sind bereits Assoziate mit
Auswertung und Diskussion 152
einem mittleren hydrodynamischen Durchmesser von 77 nm und 721 nm zu erken-
nen. Solche Assoziate bilden sich und zerfallen wieder statistisch durch die Be-
wegung der Makromoleküle. An dieser Stelle sei noch darauf verwiesen, dass die
Streuintensität quadratisch mit der Größe der streuenden Partikel zunimmt. In den
abgebildeten Größenverteilungen ist die intensitätsgemittelte Häufigkeit aufgetragen,
bei der die größeren Teilchen deutlich mehr hervorgehoben werden als bei einer
zahlengemittelten Verteilung.
Abbildung
4
.3
-
1
:
Temperaturabhängigkeit des mittleren scheinbaren
hydrodynamischen Durchmessers für ein PEG-b-
PNIPAAm Copolymer in wässriger Lösung (oben);
intensitätsgemittelte Größenverteilung der streuenden
Partikel für ausgewählte Temperaturen (unten)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
17 22 27 32 37 42 47 52 57 62 67
mittlerer scheinbarer hydrodynamischer
Durchmesser [nm]
Temperatur [°C]
PEGbPN1
0
5
10
15
20
0,1 1 10 100 1000 10000
intnsitätsgemittelte
Häufigkeit
scheinbarer hydrodynamischer
Durchmesser [nm]
30 °C
0
5
10
15
20
25
0,1 1 10 100 1000 10000
intnsitätsgemittelte
Häufigkeit
scheinbarer hydrodynamischer
Durchmesser [nm]
60 °C
Auswertung und Diskussion 153
Oberhalb von 33 °C ist eine drastische Änderung im mittleren scheinbaren
hydrodynamischen Durchmesser zu erkennen. Die Blockcopolymere aggregieren
infolge der überschrittenen kritischen Temperatur des PNIPAAm-Blocks. In einem
Temperaturbereich zwischen 33 °C und 42 °C ist die Bildung von Aggregaten mit bis
zu mehreren hundert Nanometern Durchmesser zu beobachten. Allein die Dimension
dieser Aggregate spricht für die Bildung von Vesikeln. Infolge der zunehmenden
Hydrophobie des PNIPAAm-Blocks sinkt der mittlere scheinbare hydrodynamische
Durchmesser ab 43 °C auf deutlich unter 100 nm. Bei 60 °C beobachtet man
vorwiegend Teilchen von 41 nm Größe. Diese Dimension deutet auf die Bildung von
mizellaren Aggregaten hin. Als zweite Spezies sind jedoch auch Teilchen mit einem
mittleren hydrodynischen Durchmesser von 300 nm in deutlich geringerer Anzahl zu
erkennen.
Tabelle 4.3-1: Gegenüberstellung der DLS-Ergebnisse für alle synthetisierten PEG-b-PNIPAAm
Copolymere
Probe 113:n
a
(NMR,abs)
T
cr
[°C]
D
h,app
b
[nm]
θ = 30 °C θ = 60 °C
PEGbPN1 113:109 33 – 34 18 65
PEGbPN2 113:50 35 – 36 21 84
PEGbPN3 113:23 34 – 35 20 350
a
absolutes Blocklängenverhältnis bestimmt aus
1
H-NMR-Spektrum bei bekannter Länge des
PEG-Blocks
b
mittlerer scheinbarer hydrodynamischer Durchmesser bei 30 °C bzw. 60 °C
Tabelle 4.3-1 zeigt eine Übersicht über die DLS-Ergebnisse der drei synthetisierten
PEG-b-PNIPAAm Copolymere. Es ist zu erkennen, dass die kritische Temperatur, ab
der eine Aggregation der Copolymer zu beobachten ist, infolge des hydrophilen
PEG-Blocks höher als die LCST von PNIPAAm liegt. Jedoch scheint die kritische
Temperatur relativ unabhängig von dem Blocklängenverhältnis zwischen dem
PNIPAAm- und dem PEG-Block zu sein. Erstaunlich ist jedoch, dass der mittlere
scheinbare hydrodynamische Durchmesser deutlich ansteigt, wenn das Längenver-
hältnis zwischen PEG- und PNIPAAm-Block zunimmt. Diese Zunahme resultiert aus
dem vermehrten Auftreten von Aggregaten mit einem hydrodynamischen Durch-
messer von über 200 nm. Diese Dimension spricht für das Vorhandensein von
Vesikeln in der Polymerlösung bei 60 °C. Diese Ergebnisse sind insofern erstaunlich,
als dass bei längeren hydrophilen Blöcken eher mizellare Aggregate gebildet
werden.
Auswertung und Diskussion 154
Tabelle 4.3-2: Gegenüberstellung der DLS-Ergebnisse für alle synthetisierten PDHPA-b-
PNIPAAm Copolymere
Probe m:n
a
(NMR, rel.)
w
hydrophilb
[%] T
cr
[°C] D
h,appc
[nm]
(θ = 60 °C)
PDHPbPN1 1,0:2,3 36,0 34 – 35 177
PDHPbPN2 1,0:1,2 51,8 35 – 36 46
a
relatives Verhältnis von m (zahlenmittlere Polymerisationsgrad des PDHPA-Blocks) zu n
(zahlenmittlerer Polymerisationsgrad des PNIPAAm-Blocks); bestimmt mithilfe der
1
H-NMR-
Spektroskopie
b
Gewichtsanteil des hydrophilen PDHPA-Blocks relativ zur Masse des gesamten Blockcopolymers;
berechnet aus dem relativen Blocklängenverhältnis
c
mittlerer scheinbarer hydrodynamischer Durchmesser bei 60 °C
Die durch Hydrolyse von PSKA-b-PNIPAAm erhaltenen PDHPA-b-PNIPAAm Block-
copolymere zeigen ebenfalls ein temperaturabhängiges Aggregationsverhalten in
wässriger Lösung. Tabelle 4.3-2 stellt die Ergebnisse der DLS für die beiden
synthetisierten PDHPA-b-PNIPAAm Copolymere gegenüber. Beide Copolymere
unterscheiden sich in dem relativen Längenverhältnis zwischen dem PDHPA- und
dem PNIPAAm-Block. Die mittels GPC bestimmten zahlenmittleren Molmassen
unterscheiden sich jedoch nur geringfügig (vgl. Tabelle 4.2-6). Aus dem relativen
Blocklängenverhältnis lässt sich der Gewichtsanteil des hydrophilen PDHPA-Blocks
am gesamten Copolymer berechnen. Dieser variiert zwischen 36,0 % und 51,8 % für
die beiden Copolymere. Während die kritische Temperatur erneut relativ unabhängig
von dem Blocklängenverhältnis zu sein scheint, zeigt der mittlere scheinbare hydro-
dynamische Durchmesser der Aggregate in Lösung bei 60 °C eine Abhängigkeit von
der Länge des hydrophilen PDHPA-Blocks. Für einen Gewichtsanteil des PDHPA-
Blocks von 36,0 % beträgt der mittlere hydrodynamische Durchmesser der Aggre-
gate 177 nm. Diese Größenordnung deutet auf die Bildung von Vesikeln hin. Erhöht
man jedoch den Gewichtsanteil des hydrophilen Blocks auf 51,8 % so sinkt der
mittlere hydrodynamische Durchmesser auf 46 nm, was auf die Bildung von Mizellen
hinweist. Dieses Verhalten der PDHPA-b-PNIPAAm Blockcopolymere steht im
Einklang mit den Ergebnissen von D. Discher und A. Eisenberg.
252
Danach bilden
amphiphile Blockcopolymere mit einem Gewichtsanteil des hydrophilen Blocks von
(35 ± 10) % in wässriger Lösung Vesikel. Blockcopolymere, bei denen der Gewichts-
anteil des hydrophilen Blocks bei über 50 % liegt, bilden bevorzugt mizellare Aggre-
gate.
Auswertung und Diskussion 155
Abbildung
4.3
-
2
:
Temperaturabhängigkeit des mittleren scheinbaren
hydrodynamischen Durchmessers für ein PNIPAAm-b-
PDMAAm Copolymer in wässriger Lösung (oben);
intensitätsgemittelte Größenverteilung der streuenden
Partikel für ausgewählte Temperaturen (unten)
Bei den durch sequentielle Monomerzugabe hergestellten PNIPAAm-b-PDMAAm
Copolymeren ist erwartungsgemäß auch eine temperaturinduzierte Aggregation zu
beobachten (Abbildung 4.3-2). Bei niedrigen Temperaturen liegen überwiegend
einzelne Blockcopolymere in Lösung vor, wie man anhand der Größenverteilung bei
30 °C in Abbildung 4.3-2 erkennen kann. Vereinzelt treten jedoch auch schon
größere Aggregate auf, die man als dynamische Assoziate (Verhakung bzw. Ver-
schlaufung von Makromolekülen) ansehen kann. Oberhalb der kritischen Temperatur
kommte es zur Aggregation der Copolymere aufgrund der zunehmenden Hydro-
phobie des PNIPAAm-Blocks. Bei dem in Abbildung 4.3-2 dargestellten Copolymere
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
mittlerer scheinbarer hydrodynamischer
Durchmesser [nm]
Temperatur [°C]
PNbPDM2
0
2
4
6
8
10
12
0,1 1 10 100 1000 10000
intnsitätsgemittelte
Häufigkeit
scheinbarer hydrodynamischer
Durchmesser [nm]
30 °C
0
5
10
15
20
0,1 1 10 100 1000 10000
intnsitätsgemittelte
Häufigkeit
scheinbarer hydrodynamischer
Durchmesser [nm]
60 °C
Auswertung und Diskussion 156
resultieren zunächst sehr große Aggregate von bis zu 2 µm Durchmesser. Mit
ansteigender Temperatur sinkt der mittlere hydrodynamische Durchmesser der
Partikel in der Lösung auf deutlich unter 100 nm. Bei 60 °C sind Partikel mit einem
mittleren hydrodynamischen Durchmesser von 35 nm und einer sehr engen Größen-
verteilung (PDI = 0,086) zu beobachten. Diese Dimension der Partikel deutet auf
mizellare Aggregate der Blockcopolymere hin.
Tabelle 4.3-3: Gegenüberstellung der DLS-Ergebnisse für alle synthetisierten PNIPAAm-b-
PDMAAm Copolymere
Probe m:n
a
(NMR, abs.)
w
hydrophilb
[%] T
cr
[°C] D
h,appc
[nm]
(θ = 60 °C)
PNbPDM1 43,9:47,4 48,6 46 – 47 176
PNbPDM2 42,9:54,0 52,4 48 – 49 35
PNbPDM3 47,3:105,7 66,2 47 – 48 1606
PNbPDM4 23,5:106,3 79,9 35 – 36 179
a
absolutes Verhältnis von m (zahlenmittlere Polymerisationsgrad des PNIPAAm-Blocks) zu n
(zahlenmittlerer Polymerisationsgrad des PDMAAm-Blocks); bestimmt mithilfe der
1
H-NMR-
Spektroskopie
b
Gewichtsanteil des hydrophilen PDMAAm-Blocks relativ zur Masse des gesamten Block-
copolymers; berechnet aus dem relativen Blocklängenverhältnis
c
mittlerer scheinbarer hydrodynamischer Durchmesser bei 60 °C
In Tabelle 4.3-3 werden die Ergebnisse für alle synthetisierten PNIPAAm-b-PDMAAm
Copolymere gegenübergestellt. Dabei lassen sich einige Tendenzen ableiten, die
bereits bei den PEG-b-PNIPAAm und PDHPA-b-PNIPAAm Copolymeren beobachtet
wurden. Für Copolymere, deren Gewichtsanteil des hydrophilen PDMAAm-Blocks
geringfügig über 50 % liegt, beobachtet man die Bildung von kleinen Aggregaten mit
sehr enger Größenverteilung. Liegt der Gewichtsanteil des PDMAAm-Blocks knapp
unterhalb von 50 %, werden, im Einklang mit den Resultaten von Discher und
Eisenberg, größere Aggregate gebildet, die auf das Vorhandensein von Vesikeln
hindeuten. Erstaunlicherweise führt eine Erhöhung des Gewichtsanteils an PDMAAm
auf bis zu 80 % ebenfalls zur Bildung von Partikeln mit sehr großen mittleren
hydrodynamischen Durchmessern. Diese Tendenz wird auch bei den PEG-b-
PNIPAAm Copolymeren beobachtet. Ein deutlicher Unterschied zu den bisher
betrachteten Copolymeren ist die Lage der kritischen Temperatur. Lässt man die
Länge des PNIPAAm-Blocks bei den PNIPAAm-b-PDMAAm Copolymeren konstant
(42 < m < 48) so liegt T
cr
bei ca. 47 °C und damit deutlich höher als bei den bislang
Auswertung und Diskussion 157
betrachteten Copolymeren. Auch eine Veränderung der PDMAAm-Blocklänge zeigt
keine signifikante Änderung von T
cr
. Verkürzt man jedoch den PNIPAAm-Block auf
23 Wiederholungseinheiten bei einem vierfach längeren PDMAAm-Block sinkt die
kritische Temperatur deutlich auf 35 °C bis 36 °C. Dieses Verhalten widerlegt die
Erwartungen, wonach eine kürzere PNIPAAm-Kette infolge des größeren Einflusses
der hydrophilen Endgruppe (PDMAAm-Block) eine höhere kritische Temperatur
zeigen sollte als die Copolymere mit längeren PNIPAAm-Blöcken.
Abbildung
4.3
-
3
:
Temperaturabhängigkeit des mittleren scheinbaren
hydrodynamischen Durchmessers für das (PNIPAAm-
co-MAOLP)-b-PDMAAm Copolymer in wässriger
Lösung unter Zusatz von p-Nitrobenzaldehyd (oben);
intensitätsgemittelte Größenverteilung der streuenden
Partikel für ausgewählte Temperaturen (unten)
0
20
40
60
80
100
120
140
15 25 35 45 55 65 75 85
mittlerer scheinbarer hydrodynamischer
Durchmesser [nm]
Temperatur [°C]
P(NcoMAOLP)bPDM
+ p-Nitrobenzaldehyd
0
2
4
6
8
10
0,1 1 10 100 1000 10000
intnsitätsgemittelte
Häufigkeit
scheinbarer hydrodynamischer
Durchmesser [nm]
45 °C
0
5
10
15
20
25
0,1 1 10 100 1000 10000
intnsitätsgemittelte
Häufigkeit
scheinbarer hydrodynamischer
Durchmesser [nm]
68 °C
Auswertung und Diskussion 158
Das temperaturabhängige Aggregationsverhalten der P(NIPAAm-co-MAOLP)-b-
PDMAAm Copolymere soll Aufschluss darüber geben, welche Temperaturen für die
mizellare Organokatalyse gewählt werden können. Jedoch zeigt eine Lösung der
P(NIPAAm-co-MAOLP)-b-PDMAAm Copolymere in Wasser keine temperaturbe-
dingte Aggregation. Als Ursache dafür kann man die geladenen
L
-Prolin-Einheiten
anführen. Eine wässrige Lösung der Copolymere zeigt einen pH-Wert zwischen 4
und 5. Unter diesen Bedingungen liegt das Amin zumindest anteilig protoniert vor,
während die Carboxylgruppe zum größten Teil protoniert wird. Damit liegt ein
schwacher ampholytischer Polyelektrolyt mit einem positiven Ladungsüberschuss vor
(vgl. Abschnitt 2.1.2). Die Coulomb-Abstoßung zwischen den geladenen Polymer-
ketten sollte einer Aggregation der Polymere entgegen wirken. Um diese Abstoßung
zu minimieren, kann man jedoch der Copolymerlösung eine hydrophobe Substanz
zusetzen, die bei einer Aggregation der Copolymere solubilisiert wird.
Abbildung 4.3-3 zeigt die Entwicklung des mittleren scheinbaren hydrodynamischen
Durchmessers mit steigender Temperatur für eine wässrige Lösung des P(NIPAAm-
co-MAOLP)-b-PDMAAm Copolymers unter Zusatz von p-Nitrobenzaldehyd als hydro-
phober Substanz. Ab einer Temperatur von 61 °C ist eine signifikante Erhöhung des
mittleren hydrodynamischen Durchmessers zu erkennen. Diese kritische Temperatur
liegt damit deutlich höher als bei den bislang diskutierten Blockcopolymeren. Mit
Hinblick auf den Einbau der hydrophilen und geladenen
L
-Prolin Einheiten in den
PNIPAAm-Block ist diese hohe Aggregationstemperatur zu erklären. Die Größen-
verteilung zeigt bei 68 °C Aggregate mit 40 nm und 160 nm Durchmesser. Unterhalb
der kritischen Temperatur ist ebenfalls eine anteilige Aggregation der Copolymere zu
beobachten. Ab 70 °C ist eine Abnahme des mittleren hydrodynamischen Durch-
messers zu verzeichnen. Dies ist sowohl auf ein Schrumpfen der Aggregate als auch
auf deren Auflösung zurückzuführen. Für die Experimente zur mizellaren Katalyse
wäre somit ein Temperaturbereich zwischen 68 °C und 72 °C geeignet.
4.4. Asymmetrische Organokatalyse
Um die katalytische Wirksamkeit des immobilisierten
L
-Prolin Katalysators zu zeigen,
werden die synthetisierten P(NIPAAm-co-MAOLP) und P(NIPAAm-co-MAOLP)-b-
PDMAAm Copolymere als Katalysatoren bei der asymmetrischen Aldolreaktion
zwischen p-Nitrobenzaldehyd und Cyclohexanon eingesetzt. Dabei sollen die
Auswertung und Diskussion 159
immobilisierten Katalysatoren sowohl in der homogenen als in der heterogenen
Katalyse eingesetzt und mit dem freien
L
-Prolin hinsichtlich Umsatz und Diastereo-
selektivität verglichen werden.
O
2
N
H
OOO
2
N
OH O
O
2
N
OH O
+ Enantiomer
+ Enantiomer
syn-Addukt
anti-Addukt
+Kat.
DMSO/H
2
O
(v/v 96:4)
RT, 41 h
Abbildung 4.4-1: Asymmetrische Aldolreaktion zwischen p-
Nitrobenzaldehyd und Cyclohexanon unter homogener
Organokatalyse
In einem Gemisch aus DMSO und Wasser im Volumenverhältnis 96:4 lösen sich
sowohl die Edukte als auch das freie
L
-Prolin und das P(NIPAAm-co-MAOLP) Co-
polymer. Somit sind die Voraussetzungen für eine homogene Katalyse gegeben.
Tabelle 4.4-1: Ergebnisse der homogenen asymmetrischen Organokatalyse unter den
Bedingungen von Abbildung 4.4-1
Katalysator
Kat
alysator
-
konzentration
[mol%]
Umsatz an
p
-
Nitrobenzaldehyd
a
[%] syn:anti
a
trans-4-Hydroxy-
L
-prolin 10,0 98 7:93
P(NIPAAm-co-MAOLP) 8,4 45 8:92
a
ermittelt mithilfe der
1
H-NMR-Spektroskopie
Tabelle 4.4-1 stellt die Ergebnisse der homogenen Organokatalyse mit dem freien
und dem immobilisierten
L
-Prolin Katalysator gegenüber. Trotz vergleichbarer Kata-
lysatorkonzentration von ca. 10 mol% zeigt der immobilisierte Katalysator einen
geringeren Umsatz an p-Nitrobenzaldehyd von 45 %. Der Einsatz des freien 4-
Hydroxy-
L
-prolin hingegen führt zu einem nahezu quantitativen Umsatz des
Aldehyds. Die Ursache hierfür liegt in der eingeschränkten Mobilität des polymer-
gebundenen Katalysators. Aufgrund der niedrigeren Diffusionskoeffizienten der
Auswertung und Diskussion 160
Copolymere sowie der homogenen Verteilung der Edukte ist ein langsamerer
Reaktionsverlauf durchaus zu erwarten. Die Diastereoselektivitäten sind für beide
Katalysatoren vergleichbar gut. Die jeweiligen Enantiomerenüberschüsse für das
syn- und anti-Addukt konnten aufgrund der geringen absoluten Mengen an Produkt
bislang nicht ermittelt werden.
O
2
N
H
OOO
2
N
OH O
O
2
N
OH O
+ Enantiomer
+ Enantiomer
syn-Addukt
anti-Addukt
+Kat.
H
2
O
RT, 41 h
Abbildung 4.4-2: Asymmetrische Aldolreaktion zwischen p-
Nitrobenzaldehyd und Cyclohexanon unter
heterogener Organokatalyse
Das wahre Potenzial des immobilisierten
L
-Prolin Katalysators wird hingegen unter
heterogenen Katalysebedingungen deutlich. Sowohl der p-Nitrobenzaldehyd als auch
das Cyclohexanon besitzen eine relativ schlechte Löslichkeit in Wasser. Das freie
und das polymergebundene
L
-Prolin sind hingegen bei Raumtemperatur gut wasser-
löslich. Damit sind die Bedingungen für eine heterogene asymmetrische Organokata-
lyse erfüllt.
Tabelle 4.4-2: Ergebnisse der heterogenen asymmetrischen Organokatalyse unter den
Bedingungen von Abbildung 4.4-2
Katalysator
Kat
alysator
-
konzentration
[mol%]
Umsatz an
p
-
Nitrobenzaldehyd
a
[%] syn:anti
a
trans-4-Hydroxy-
L
-prolin 10,0 0 n. b.
P(NIPAAm-co-MAOLP) 8,4 58 15:85
a
ermittelt mithilfe der
1
H-NMR-Spektroskopie
Auswertung und Diskussion 161
In Tabelle 4.4-2 sind die Ergebnisse für die heterogene asymmetrische Organokata-
lyse unter den in Abbildung 4.4-2 beschriebenen Reaktionsbedingungen dargestellt.
Anhand dieser Tabelle wird deutlich, dass das freie 4-Hydroxy-
L
-prolin unter den
gegebenen Reaktionsbedingungen nicht als Katalysator für die beschriebene Aldol-
reaktion fungiert. Es ist nach 41 h Reaktionszeit keinerlei Umsatz an p-Nitrobenz-
aldehyd zu erkennen. Dieses Resultat steht im Einklang mit den Ergebnissen von
Mase et al., die selbst nach 96 h keinen erkennbaren Umsatz bei der Aldolreaktion
zwischen p-Nitrobenzaldehyd und Cyclohexanon in Anwesenheit von
L
-Prolin
nachweisen konnten.
226
Das Einführen von hydrophoben Substituenten am
L
-Prolin
steigert die Effizienz dieses Organokatalysators in wässrigen Systemen enorm.
253
Prinzipiell ist die Rolle des Wassers bei der asymmetrischen Organokatalyse mit
Aminen als Katalysatoren sehr vielfältig. So ist das Wasser Bestandteil der Gleichge-
wichte zur Bildung und zur Hydrolyse des intermediär entstehenden Enamins (vgl.
Abbildung 2.4-1).
254
Eine hohe Effizienz des Katalysators sowie eine hohe Diastereo-
und Enantioselektivität lassen sich nur erreichen, wenn man eine Kombination aus
hydrophilen und hydrophoben Bereichen im Reaktionsmedium realiseren kann.
255
Dadurch lässt sich eine bessere Orientierung der Reaktanten im Übergangszustand
der Aldoladdition erreichen. Diese hydrophilen und hydrophoben Bereiche lassen
sich wie bereits erwähnt durch hydrophobe Substituenten am
L
-Prolin realisieren.
Eine zweite Möglichkeit ist das Arbeiten unter heterogenen Reaktionsbedingungen.
So wurde bereits von Mase et al. beschrieben, dass der Zusatz von langkettigen
Fettsäuren zur Stabilisierung einer Emulsion der Edukte in Wasser nicht nur zu
hohen Umsätzen sondern auch zu hohen Diastereo- und Enantioselektivitäten
führt.
256
Auf diese Weise lässt sich auch die Wirkung der P(NIPAAm-co-MAOLP)
Copolymere erklären (Tabelle 4.4-2). Als Makromoleküle mit polaren und unpolaren
Substituenten sind sie als Stabilisatoren einer Emulsion gut geeignet. Damit befindet
sich der polymergebundene
L
-Prolin Katalysator bereits an der Grenzfläche zwischen
der hydrophilen und hydrophoben Phase. Dadurch ist nicht nur ein guter Umsatz von
58 % sondern auch eine gute Diastereoselektivität zu erreichen.
Schlussendlich sollen nun die katalytischen Eigenschaften der P(NIPAAm-co-
MAOLP)-b-PDMAAm Copolymere unter den Bedingungen einer mikroheterogenen
Katalyse untersucht werden. Als Temperatur wurde 72 °C gewählt, da die Copoly-
mere bei dieser Temperatur eine erhöhte Aggregation aufweisen. Zum Vergleich
wurde eine Katalyse ebenfalls unter Einsatz der P(NIPAAm-co-MAOLP)-b-PDMAAm
Auswertung und Diskussion 162
Copolymere bei einer Temperatur von 55 °C durchgefü hrt, bei der die Copolymere
eine geringere Tendenz zur Aggregation aufweisen. Als zweite Referenz wurde das
freie trans-4-Hydroxy-
L
-prolin als Organokatalysator bei einer Temperatur von 72 °C
eingesetzt.
Tabelle 4.4-3: Ergebnisse der heterogenen asymmetrischen Organokatalyse in Wasser unter
Einsatz der P(NIPAAm-co-MAOLP)-b-PDMAAm Copolymere
Katalysator
Katalysator
-
konzentration
[mol%]
t
[h]
θ
[°C]
Umsatz an
p
-
Nitrobenzaldehyd
a
[%] syn:anti
a
trans-4-Hydroxy-
L
-
prolin 10 42 72 93 50:50
P(NIPAAm-co-
MAOLP)-b-PDMAAm 10 42 72 35 31:69
P(NIPAAm-co-
MAOLP)-b-PDMAAm 10 42 55 20 28:72
a
ermittelt mithilfe der
1
H-NMR-Spektroskopie
Die Ergebnisse in Tabelle 4.4-3 zeigen, dass der Einsatz von P(NIPAAm-co-
MAOLP)-b-PDMAAm bei 72 °C zu höheren Umsätzen an p-Nitrobenzaldehyd führt
als bei 55 °C. Dies kann sowohl ein reiner Temperat ureffekt sein, der durch die
Arrhenius-Beziehung beschrieben wird, als auch ein Effekt der erhöhten Aggregat-
bildung. Die Diastereoselektivität ist im Vergleich zu der heterogenen Katalyse bei
Raumtemperatur etwas geringer. Die erhöhte Temperatur von 72 °C führt jedoch
dazu, dass auch bei Einsatz des freien trans-4-Hydroxy-
L
-prolin ein deutlicher
Umsatz von an Aldehyd von 93 % zu verzeichnen ist. Dies lässt sich mit der
gestiegenen Löslichkeit der Reaktanten bei 72 °C in Wasser erklären. Unter diesen
Bedingungen zeigt sich jedoch keinerlei Diastereoselektivität.
Bei den Experimenten zur heterogenen und mikroheterogenen Katalyse unter Ein-
satz von P(NIPAAm-co-MAOLP) und P(NIPAAm-co-MAOLP)-b-PDMAAm Copoly-
meren zeigt sich anhand der
1
H-NMR-Spektren, dass neben der gewünschten Aldol-
addition auch noch andere Nebenreaktionen ablaufen. Vor allem im Bereich der
aromatischen Protonon (7,5 – 8,5 ppm) zeigen sich Signale, die weder den Edukten
noch den Produkten zuzuordnen sind. Das relative Verhältnis dieser Signale variiert
zudem mit der Reaktionszeit. Als mögliche Nebenreaktion wird in der Literatur die
reversible Reaktion des aromatischen Aldehyds mit dem Prolin unter Bildung eines
Auswertung und Diskussion 163
Oxazolidinons beschrieben.
254
Bei den Experimenten zur homogenen Katalyse sowie
bei Einsatz des freien trans-4-Hydroxy-
L
-prolins sind diese Nebenprodukte nicht zu
beobachten.
Zusammenfassung 164
5. Z
USAMMENFASSUNG
Im Rahmen dieser Arbeit sollte ein Katalysator auf Basis von
L
-Prolin auf einem
temperatursensitiven Blockcopolymer immobilisiert werden. Auf diese Weise sollte
ein polymergebundener Organokatalysator erhalten werden, der in einer mizellaren
Katalyse eingesetzt werden kann. Für den temperatursensitiven Block wurde das
bereits umfassend charakterisierte Poly(N-isopropylacrylamid) (PNIPAAm) ausge-
wählt. Da die Blockcopolymere mit Hilfe der Atom Transfer Radical Polymerization
(ATRP) kontrolliert radikalisch synthetisiert werden sollten, bestand der erste Schritt
dieser Arbeit darin, ein ATRP-System zu finden, welches nicht nur die kontrollierte
Homopolymerisation von N-Isopropylacrylamid ermöglichte, sondern auch für die
Blockcopolymerisation mit Acrylamiden und Acrylaten geeignet war. Auf Grundlage
von zahlreichen Forschungsarbeiten wurde ein ATRP-System entwickelt, welches
auf einem CuBr/Me
6
Tren-Katalysatorkomplex in einem Lösungsmittelgemisch aus
Isopropanol und Wasser (v/v 5:1) beruht. Als niedermolekulare Initiatoren konnten
sowohl Ethyl-2-bromisobutyrat als auch Methyl-2-brompropionat eingesetzt werden.
Für die Homopolymerisation von NIPAAm mit Hilfe dieses ATRP-Systems wurden
alle Merkmale einer kontrollierten radikalischen Polymerisation nachgewiesen. Die
maximal erzielbaren Umsätze lagen hierbei deutlich über 95 % ohne Verlust an
Kontrolle der Polymerisation. Durch ein „self-blocking“-Experiment konnte dabei das
Vorhandensein der Alkylbromid-Endgruppen indirekt nachgewiesen und damit die
Eignung zu Blockcopolymerisation gezeigt werden. Des Weiteren ließ sich auch N,N-
Dimethylacrylamid (DMAAm) als Baustein für hydrophile Makromoleküle mit diesem
System polymerisieren.
Auf Basis des entwickelten ATRP-Systems konnten nun zunächst PNIPAAm-b-
PDMAAm Blockcopolymere durch sequentielle Monomerzugabe bei der ATRP her-
gestellt werden. Dabei wurden das Verhältnis der Blocklängen von PNIPAAM zu
PDMAAm im Bereich zwischen 1:1 und 1:4 variiert. Durch kontrollierte radikalische
Polymerisation (ATRP) sind zudem Poly(solketalacrylat) (PSKA)-Makromoleküle
zugänglich, die an ihrem Kettenende eine sekundäre Alkylbromid-Funktionalität
tragen, die der Struktur von Methyl-2-brompropionat ähnelt. Damit konnten diese
PSKA-Polymere als Makroinitiatoren zur Synthese von PSKA-b-PNIPAAm Blockco-
polymeren mit Hilfe des beschriebenen ATRP-Systems genutzt werden. Auch in
Zusammenfassung 165
diesem Fall war eine Variation der Blocklängen möglich. Nach erfolgreicher polymer-
analoger Hydrolyse des Acetals mit Eisessig konnte im Anschluss der hydrophobe
PSKA-Block in einen hydrophilen Poly(2,3-dihydroxypropylacrylat) (PDHPA)-Block
umgewandelt werden. Letztendlich sind über diese Route PDHPA-b-PNIPAAm
Blockcopolymere mit variablen Blocklängen zugänglich. Als drittes Beispiel für ein
smartes Blockcopolymer wurden PEG-b-PNIPAAm Blockcopolymere mit unter-
schiedlicher Länge des PNIPAAm-Blocks hergestellt. Dazu wurde ein kommerziell
erhältlicher Monomethylether des Poly(ethylenglycol) (PEG) mit 2-Brompropionyl-
bromid funktionalisiert. Dadurch wurde das PEG zu einem Makroinitiator für die
kontrollierte Polymerisation von NIPAAm mithilfe des beschriebenen ATRP-Systems.
Alle synthetisierten Blockcopolymere wurden mittels
1
H-NMR-Spektroskopie und
Gelpermeationschromatographie charakterisiert. Die erfolgreiche Modifizierung des
PEG konnte zudem über MALDI-ToF-MS bestätigt werden.
Die Immobilisierung des
L
-Prolin Katalysators im temperatursensitiven PNIPAAm-
Block sollte durch kontrollierte Copolymerisation erfolgen. Dazu muss das
L
-Prolin
zunächst in ein polymerisationsfähiges Derivat überführt werden. Auf Basis der
Forschungsarbeiten von Tore Hansen und seiner Forschungsgruppe konnte über
eine dreistufige Synthese 4-Methacryloyloxy-
L
-prolin (MAOLP(Boc,tBu) hergestellt
werden. Bei diesem Monomer wurden sowohl die sekundäre Aminogruppe als auch
die Carboxylgruppe geschützt, um Störungen bei der ATRP zu vermeiden. Nach
erfolgreicher Synthese und Charakterisierung über
1
H- und
13
C-NMR-Spektroskopie
wurde das MAOLP(Boc,tBu) mit NIPAAm über das beschriebene ATRP-System
copolymerisiert. Es wurde ein engverteiltes P(NIPAAm-co-MAOLP(Boc,tBu)) Copoly-
mer erhalten. Über
1
H-NMR-Spektroskopie konnte der erfolgreiche Einbau des
Organokatalysators in den PNIPAAm-Block nachgewiesen werden. Durch eine
Kombination aus kontrollierter Copolymerisation und Blockcopolymersynthese
konnten schließlich sowohl PEG-b-P(NIPAAm-co-MAOLP(Boc,tBu)) als auch
P(NIPAAm-co-MAOLP(Boc,tBu))-b-PDMAAm Copolymere als Zielstruktur erhalten
werden. Auf die Verwendung der PDHPA-b-PNIPAAm Blockcopolymere zur
Immobilisierung des
L
-Prolin Katalysators wurde im Rahmen dieser Arbeit verzichtet,
da diese Blockcopolymere unter ungünstigen Umständen zu Vernetzungsreaktionen
über die Hydroxylgruppen neigen. Dennoch sind auch diese Blockcopolymere als
Trägermaterialien für Katalysatoren interessant, da die Hydroxylgruppen eine
Möglichkeit zur weiteren Funktionalisierung der Blockcopolymere geben.
Zusammenfassung 166
Um die katalytische Wirksamkeit des
L
-Prolin Katalysators wieder herzustellen,
müssen sowohl die Amino- als auch die Carboxylgruppe wieder entschützt werden.
Die Boc- sowie auch die tert-Butylester-Schutzgruppe wurden so ausgewählt, dass
sie nach der Polymersynthese ohne großen präparativen Aufwand quantitativ und
simultan entfernt werden können. Für die P(NIPAAm-co-MAOLP(Boc,tBu)) und die
P(NIPAAm-co-MAOLP(Boc,tBu))-b-PDMAAm Copolymere gelang dies mit Hilfe von
Trifluoressigsäure in Dichlormethan. Unter den gleichen Reaktionsbedingungen
zeigten die PEG-b-P(NIPAAm-co-MAOLP(Boc,tBu)) Copolymere jedoch zudem eine
unerwünschte Abspaltung des PEG-Blocks. Auch eine Variation der Reaktionsbe-
dingungen brachte bislang keinen nennenswerten Erfolg.
Mit Hilfe der dynamischen Lichtstreuung konnte für alle synthetisierten Blockcopoly-
mere ein temperaturinduziertes Aggregationsverhalten in wässriger Lösung nachge-
wiesen werden. Die Dimension der gebildeten Aggregate ist dabei stark vom
Blocklängenverhältnis zwischen dem temperatursensitiven und dem hydrophilen
Block abhängig. Für den Fall, dass der temperatursensitive Block im Vergleich zum
hydrophilen Block sehr kurz oder sehr lang ist, wird die Bildung von Aggregaten mit
einem scheinbaren hydrodynamischen Durchmesser von zum Teil mehreren hundert
Nanometern beobachtet. Dazwischen gibt es Blocklängenverhältnisse, bei denen die
Bildung von kleineren Aggregaten mit einem hydrodynamischen Durchmesser von 40
nm bis 60 nm nachgewiesen werden kann. Die kritischen Aggregationstemperaturen
liegen zwischen 35 °C und 47 °C und zeigen keine si gnifikante Abhängigkeit von der
Länge des hydrophilen Blocks. Werden in den temperatursensitiven Block hydrophile
L
-Prolin Einheiten eigebaut, die je nach pH-Wert sogar eine Ladung tragen können,
dann steigt die kritische Aggregationstemperatur auf 61 °C.
In den abschließenden Experimenten konnte die katalytische Wirksamkeit des
immobilisierten
L
-Prolin Katalysators anhand der Reaktion zwischen p-Nitrobenz-
aldehyd und Cyclohexanon nachgewiesen werden. Unter homogenen Katalysebe-
dingungen zeigte der immobilisierte
L
-Prolin Katalysator vergleichbare Diastereo-
selektivitäten wie bei Einsatz des freien trans-4-Hydroxy-
L
-prolins. Die Reaktion
selbst verläuft jedoch bei Einsatz des polymergebundenen Katalysators infolge der
verringerten Diffusionsgeschwindigkeit langsamer als bei Verwendung des trans-4-
Hydroxy-
L
-prolins. Wählt man jedoch Wasser als Lösungsmittel, dann führt die
geringe Löslichkeit der Edukte zu heterogenen Reaktionsbedingungen. Hierbei zeigt
Zusammenfassung 167
der Einsatz des polymergebunden Organokatalysators deutliche Vorteile, da der
polymere Träger auch zur Stabilisierung der Edukt-Emulsion beiträgt. Ein Einfluss
des temperaturinduzierten Aggregationsverhaltens auf den Reaktionsverlauf der
Organokatalyse konnte bislang jedoch nicht zweifelsfrei nachgewiesen werden.
Ausblick 168
6. A
USBLICK
In Betrachtung dessen, dass die vorliegende Arbeit einen ersten Schritt zur
Immobilisierung von Organokatalysatoren auf sensitiven Polymerträgern darstellt,
gibt es zahlreiche Anknüpfungspunkte für weitere Forschungsarbeiten. Im Hinblick
auf die Synthese des polymergebundenen
L
-Prolin Katalysators gilt es nun zunächst,
die Distanz zwischen dem
L
-Prolin und dem Polymerrückgrat durch den Einbau eines
Spacers zu vergrößern. Damit sollte einerseits die Erreichbarkeit des Katalysators für
die Edukte verbessert werden und andererseits sollte die verbesserte Beweglichkeit
des Katalysators auch einen Einfluss auf die Reaktionsgeschwindigkeit haben. Des
Weiteren muss die kritische Temperatur des temperatursensitiven Blocks, die durch
den Einbau der hydrophilen
L
-Prolin Einheiten deutlich ansteigt, wieder abgesenkt
werden. Dies kann beispielsweise durch weitere Copolymerisation mit hydrophoben
Monomeren geschehen. Eine verringerte kritische Temperatur steht in besserem
Einklang mit den Anforderungen der „Grünen Chemie“ (Energieeffizienz) und sollte
ebenfalls zu besseren Stereoselektivitäten führen.
Durch Verwendung der Dynamischen Lichtstreuung lassen sich zwar die Aggrega-
tionstemperatur und die Dimension der Aggregate in Lösung bestimmen, jedoch
kann bislang keine Aussage über die Morphologie der entstehenden Aggregate
getroffen werden. Im Hinblick darauf gilt es nun Methoden wie beispielsweise die
Cryo-Transmissionselektronenmikroskopie oder eine Kombination aus statischer und
dynamischer Lichtstreuung so zu optimieren, dass diese Methoden zur Untersuchung
temperatursensitiver Polymere in Lösung geeignet sind. Zudem muss der Einfluss
verschiedener Parameter (Polymerkonzentration, pH-Wert der Lösung, Aufheizrate)
auf den Aggregationsprozess untersucht werden.
In Bezug auf die heterogene Organokatalyse in Wasser unter Verwendung des
polymergebundenen
L
-Prolin Katalysators gilt es, die auftretenden Nebenreaktionen
zu verstehen und zu minimieren. Zudem ist der Einsatz von temperatursensitiven
Polymeren als Trägermaterial für das
L
-Prolin nur dann sinnvoll, wenn Wege ge-
funden werden, das Phasenverhalten des temperatursensitiven Polymers zur
Kontrolle des Reaktionsverlaufs zu nutzen. Methoden für ein effizientes Abtrennen
und Wiederverwerten des Katalysators müssen entwickelt bzw. erprobt werden.
Neben der Diastereoselektivität muss auch die Enantioselektivität der Reaktion bei
Ausblick 169
Verwendung der immobilisierten Organokatalysatoren untersucht werden. Dazu lässt
sich beispielsweise die HPLC mit chiralem Säulenmaterial verwenden.
Abkürzungsverzeichnis 170
7. A
BKÜRZUNGSVERZEICHNIS
2,2'-bpy 2,2'-Bipyridin
AGET-ATRP Activators Generated by Electron Transfer ATRP
AIBN α,α‘-Azo-bis-(isobutyronitril)
ARGET-ATRP Activators Regenerated by Electron Transfer ATRP
ATRP Atom Transfer Radical Polymerization
BHT 3,5-Di-tert-butyl-4-hydroxytoluol
Boc tert-Butyloxycarbonyl
Boc
2
O Di-tert-butyl-dicarbonat
BPO Dibenzoylperoxid
cmc kritische Mizellbildungskonzentration
D Polydispersität
DCTB trans-2-[3-(4-tert-Butylphenyl)-2-methyl-2-propenyliden]-
malonsäuredinitril
DLS Dynamische Lichtstreuung
DMAAm N,N-Dimethylacrylamid
DMAc N,N-Dimethylacetamid
DMF N,N-Dimethylformamid
DMSO Dimethylsulfoxid
DMSO-d
6
deuteriertes Dimethylsulfoxid
EBrIB Ethyl-2-bromisobutyrat
GPC Gelpermeationschromatographie
LCST Lower Critical Solution Temperature
LM Lösungsmittel
MALDI-ToF-MS Matrix-unterstützte Laser-Desorption/Ionisation-
Massenspektrometrie mit Flugzeitanalysator
MAOLP trans-4-Methacryloyloxy-L-prolin
MAOLP(Boc,tBu)
geschütztes trans-4-Methacryloyloxy-L-prolin (entspricht N-
tert-Butyloxycarbonyl-O-methacryloyl-trans-4-hydroxy-L-
prolin-tert-butylester)
MBP Methyl-2-brompropionat
MCP Methyl-2-chlorpropionat
Me
4
Cyclam 1,4,8,11-Tetramethyl-1,4,8,11-tetraazacyclotetradecan
Me
6
Tren Tris[2-(dimethylamino)ethyl]amin
MEHQ Hydrochinonmonomethylether
NaOTf Natriumtrifluormethansulfonat
NIPAAm N-Isopropylacrylamid
NMR magnetische Kernresonanzspektroskopie
NMRP Nitroxide Mediated Radical Polymerization
PDHPA Poly(2,3-dihydroxypropylacrylat)
PDMAAm Poly(N,N-dimethylacrylamid)
PDMAEMA Poly(N,N-dimethylaminoethylmethacrylat)
PEG Poly(ethylenglycol)
PEG-5000 Poly(ethylenglycol) mit einer zahlenmittleren Molmasse von
5000 g/mol
Abkürzungsverzeichnis 171
PMDETA N,N,N‘,N‘‘,N‘‘-Pentamethyldiethylentriamin
PMMA Poly(methylmethacrylat)
PNIPAAm Poly(N-isopropylacrylamid)
PRE Persistent Radical Effect
PSKA Poly(solketalacrylat)
PTFE Poly(tetrafluorethylen)
p-TSA p-Toluensulfonsäure
RAFT Reversible Addition Fragmentation Chain Transfer Radical
Polymerization
ROP Ringöffnungspolymerisation
RT Raumtemperatur
RU Wiederholungseinheit (Repeating Unit)
SI-ATRP oberflächeninitiierte ATRP
SKA Solketalacrylat
TEA Triethylamin
TFA Trifluoressigsäure
THF Tetrahydrofuran
Tren Tris(2-aminoethyl)amin
UCST Upper Critical Solution Temperature
UV/VIS Spektralbereich des ultravioletten und sichtbaren Lichts
α-EG α-Endgruppe
ω-EG ω-Endgruppe
θ Temperatur
t Reaktionszeit
η Ausbeute
M
n
zahlenmittlere Molmasse
D/PD Polydispersität
U Umsatz
M
0
Anfangskonzentration an Monomer
M Konzentration an Monomer
J Kopplungskonstante
k
deact
Geschwindigkeitskonstante der Deaktivierung
k
prop
Geschwindigkeitskonstante des Kettenwachstums
k
act
Geschwindigkeitskonstante der Aktivierung
T
cr
kritische Temperatur
D
h,app
mittlerer scheinbarer hydrodynamischer Radius
w
hydrophil
Gewichtsanteil des hydrophilen Blocks am Gesamtgewicht des
Blockcopolymers
[M] zugegebene Stoffmenge an Monomer
[K] zugegebene Stoffmenge an Katalysator
[L] zugegebene Stoffmenge an Ligand
[I] zugegebene Stoffmenge an Initiator
Literaturverzeichnis 172
8. L
ITERATURVERZEICHNIS
1
Topical issue on Facilitated Synthesis; Chem. Rev. 2009, 109, issue no. 2
2
N. Isambert, M. del Mar Sanchez Duque, J.-C. Plaquevent, Y. Génisson, J. Rodriguez, T.
Constantieux; Chem. Soc. Rev. 2011, 40, 1347 – 1357
3
F. J. Hernández-Fernández, A. P. de los Ríos, L. J. Lozano-Blanco, C. Godínez; J. Chem. Technol.
Biotechnol. 2010, 85, 1423 – 1435
4
I. Beletskaya, V. Tyurin; Molecules 2010, 15, 4792 – 4814
5
R. B. Merrifield; J. Am. Chem. Soc. 1963, 85, 2149 – 2154
6
P. Anastas, N. Eghbali; Chem. Soc. Rev. 2010, 39, 301 – 312
7
M. R. Buchmeiser; Polymeric Materials in Organic Synthesis and Catalysis, VCH-Wiley, 2003
8
A. R. Brown, P. H. H. Hermkens, H. C. J. Ottenheijm, D. C. Rees; Synlett 1998, 6, 817 – 827
9
R. E. Dolle, K. H. Nelson Jr.; J. Comb. Chem. 1999, 1, 235 – 282
10
T. J. Dickerson, N. N. Reed, K. D. Janda; Chem. Rev. 2002, 102, 3325 – 3344
11
D. E. Bergbreiter; Chem. Rev. 2002, 102, 3345 – 3384
12
D. E. Bergbreiter, J. Tian, C. Hongfa; Chem. Rev. 2009, 109, 530 – 582
13
J. Lu, P. H. Toy; Chem. Rev. 2009, 109, 815 – 838
14
M. Benaglia, A. Puglisi, F. Cozzi; Chem. Rev. 2003, 103 (9), 3401 – 3429
15
F. Cozzi; Adv. Synth. Catal. 2006, 348, 1367 – 1390
16
N. E. Leadbeater, M. Marco; Chem. Rev. 2002, 102, 3217 – 3274
17
N. Kann; Molecules 2010, 15, 6306 – 6331
18
T. Dwars, E. Paetzold, G. Oehme; Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 7174 – 7199
19
K. Holmberg; Eur. J. Org. Chem. 2007, 731 – 742
20
S. Ikegami; H. Hamamoto; Chem. Rev. 2009, 109, 583 – 593
21
D. Díaz Díaz, D. Kühbeck, R. J. Koopmans; Chem. Soc. Rev. 2011, 40, 427 – 448
22
C. F. Barbas III; Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 42 – 47
23
D. W. C. MacMillan; Nature 2008, 455, 304 – 308
24
A. Dondoni, A. Massi; Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 4638 – 4660
25
S. Bertelsen, K. A. Jørgensen; Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 2178 – 2189
26
A. S. Hoffman, P. S. Stayton, V. Bulmus, G. Chen, J. Chen, C. Cheung, A. Chilkoti, Z. Ding, L.
Dong, R. Fong, C. A. Lackey, C. J. Long, M. Miura, J. E. Morris, N. Murthy, Y. Nabeshima, T. G.
Park, O. W. Press, T. Shimoboji, S. Shoemaker, H. J. Yang, N. Monji, R. C. Nowinski, C. A. Cole,
Literaturverzeichnis 173
J. H. Priest, J. M. Harris, K. Nakamae, T. Nishino, T. Miyata; J. Biomed. Mater. Res. 2000, 52, 577
– 586
27
D. Schmaljohann; Adv. Drug Del. Rev. 2006, 58, 1655 – 1670
28
M. A. Cohen Stuart, W. T. S. Huck, J. Genzer, M. Müller, C. Ober, M. Stamm, G. B. Sukhorukov, I.
Szleifer, V. V. Tsurkruk, M. Urban, F. Winnik, S. Zauscher, I. Luzinov, S. Minko; Nature Materials
2010, 9, 101 – 113
29
A. K. Bajpai, S. K. Shukla, S. Bhanu, S. Kankane; Progr. Polym. Sci. 2008, 33, 1088 – 1118
30
P. Bawa, V. Pillay, Y. E. Choonara, L. C. du Toit; Biomed. Mater. 2009, 4, 022001
31
J. J. Lai, K. E. Nelson, M. A. Nash, A. S. Hoffman, P. Yager, P. S. Stayton; Lab Chip 2009, 9, 1997
– 2002
32
H. G. Börner, H. Kühnle, J. Hentschel; J. Polym. Sci. Part A: Polym. Chem. 2010, 48, 1 – 14
33
M. Guenther, D. Kuckling, C. Corten, G. Gerlach, J. Sorber, G. Suchaneck, K.-F. Arndt; Sensors
and Actuators 2007, 126, 97 – 106
34
C. Wang, A. Javadi, M. Ghaffari, S. Gong; Biomaterials 2010, 31, 4944 – 4951
35
A. Fernández-Barbero, I. J. Suárez, B. Sierra-Martín, A. Fernández-Nieves, F. J. de las Nieves, M.
Marquez, J. Rubio-Retama, E. López-Cabarcos; Adv. Colloid. Interface Sci. 2009, 147-148, 88 –
108
36
I. Tokarev, M. Motornov, S. Minko; J. Mater. Chem. 2009, 19, 6932 – 6948
37
P. M. Mendes; Chem. Soc. Rev. 2008, 37, 2512 – 2529
38
I. Dimitrov, B. Trzebicka, A. H. E. Müller, A. Dworak, C. B. Tsvetanov; Progr. Polym. Sci. 2007, 32,
1275 – 1343
39
V. Aseyev, H. Tenhu, F. M. Winnik; Adv. Polym. Sci. 2011, 1 – 61
40
H. G. Schild; Progr. Polym. Sci. 1992, 17, 163 – 249
41
H. Heskins, J. E. Guillet; J. Macromol. Sci., Chem. 1968, A2, 1441 – 1455
42
M. Shibayama, T. Tanaka; Adv. Polym. Sci. 1993, 109, 1 – 62
43
M. Netopilík, M. Bohdanecký, V. Chytrý, K. Ulbrich; Macromol. Rapid Commun. 1997, 18, 107 –
111
44
N. A. Platé, L. T. Lebedeva, L. I. Valuev; Polym. J. 1999, 31, 21 – 27
45
I. Idziak, D. Avoce, D. Lessard, D. Gravel, X. X. Zhu; Macromolecules 1999, 32, 1260 – 1263
46
S. H. Cho, M. S. Jhon, S. H. Yuk; Eur. Polym. J. 1999, 35, 1841 – 1845
47
F. Liu, M. W. Urban; Progr. Polym. Sci. 2010, 35, 3 – 23
48
J.-F. Lutz; J. Polym. Sci. Part A: Polym. Chem. 2008, 46, 3459 – 3470
49
D. Neradovic, W. L. J. Hinrichs, J. J. Kettenes-van den Bosch, W. E. Hennink; Macromol. Rapid
Commun. 1999, 20, 577 – 581
50
K. S. Schanze, A. H. Shelton; Langmuir 2009, 25, 13698 – 13702
Literaturverzeichnis 174
51
C. Üzüm, N. Kristen, R. von Klitzing; Curr. Opinion in Coll. & Interf. Sci. 2010, 15, 303 – 314
52
S. Yabuki; Anal. Sci. 2011, 27, 695 – 702
53
O. E. Philippova, D. Hourdet, R. Audebert, A. R. Khoklov; Macromolecules 1997, 30, 8278 – 8285
54
E. S. Gil, S. M. Hudson; Prog. Polym. Sci. 2004, 29, 1173 – 1222
55
S. R. Tonge, B. J. Tighe; Adv. Drug Del. Rev. 2001, 53, 109 – 12 2
56
L. A. Connal, Q. Li, J. F. Quinn, E. Tjipto, F. Caruso, G. G. Qiao; Macromolecules 2008, 41, 2620 –
2626
57
E. He, C. Y. Yue, K. C. Tam; Langmuir 2009, 25, 4892 – 4899
58
A. S. Lee, V. Bütün, M. Vamvakaki, S. P. Armes, J. A. Pople, A. P. Gast; Macromolecules 2002,
35, 8540 – 8551
59
M. Okubo, H. Ahmad, T. Suzuki; Colloid Polym. Sci. 1998, 276, 470 – 475
60
J.-F. Gohy, B. G. G. Lohmeijer, S. K. Varshney, B. Décamps, E. Leroy, S. Boileau, U. S. Schubert;
Macromolecules 2002, 35, 9748 – 9755
61
S. Y. Park, Y. H. Bae; Macromol. Rapid Comm. 1999, 20, 269 – 273
62
R. Kröger, H. Menzel, M. L. Hallersleben; Macromol. Chem. Phys. 1994, 195, 2291 – 2298
63
C. Howley, D. G. Marangoni, J. C. T. Kwak; Colloid. Polym. Sci. 1997, 275, 760 – 768
64
A. E. Ivanov, N. L. Eremeev, P.-O. Wahlund, I. Y. Galaev, B. Mattiasson; Polymer 2002, 43, 3819 –
3823
65
J. Lanzo, F. P. Nicoletta, G. De Filpo, G. Chidichimo; J. Appl. Phys. 2002, 92, 4271 – 4275
66
G. Filipcsei, J. Fehér, M. Zrínyi; J. Mol. Struct. 2000, 554, 109 – 117
67
M. Zrínyi; Colloid Polym. Sci. 2000, 278, 98 – 103
68
T. Traitel, Y. Cohen, J. Kost; Biomaterials 2000, 21, 1679 – 1687
69
W. A. Braunecker, K. Matyjaszewski; Progr. Polym. Sci 2007, 32, 93 – 146
70
C. Walling; Free Radicals in Solution, New York: Wiley, 1957
71
K. Matyjaszewski, T. P. Davis; Handbook of radical polymerization, Hoboken: Wiley-Interscience
2002
72
M. Szwarc; Nature 1956, 178, 1168 – 1169
73
S. Penczek, P. Kubisa, K. Matyjaszewski; Adv. Polym. Sci. 1985, 68, 1 – 298
74
M. Sawamoto; Progr. Polym. Sci. 1991, 16, 111 – 172
75
H. Fischer; Chem. Rev. 2001, 101, 3581 – 3610
76
H. G. Elias; Makromoleküle Band 1: Chemische Struktur und Synthesen, 6. Auflage, Wiley-VCH,
Weinheim, 1999
77
G. Moad, E. Rizzardo, S. H. Tang; Polymer 2008, 49, 1079 – 1131
Literaturverzeichnis 175
78
G. Moad, E. Rizzardo, S. H. Thang; Acc. Chem. Res. 2008, 41, 1133 – 1142
79
H. Willcock, R. K. O’Reilly; Polym. Chem. 2010, 1, 149 – 157
80
L. Barner, T. P. Davis, M. H. Stenzel, C. Barner-Kowollik; Macromol. Rapid Commun. 2007, 28,
539 – 559
81
S. Garnier, A. Laschewsky; Colloid. Polym. Sci., 2006, 284, 1243 – 1254
82
S. Garnier, A. Laschewsky; Macromolecules, 2005, 38, 7580 – 7592
83
M. Mertoglu, S. Garnier, A. Laschewsky, K. Skrabania, J Storsberg; Polymer, 2005, 46, 7726 –
7740
84
A. B. Lowe, C. L. McCormick; Prog. Polym. Sci. 2007, 32, 283 – 351
85
M. K. Georges, R. P. N. Veregin, P. M. Kazmeier, G. K. Hamer; Macromolecules 1993, 26, 2987 –
2988
86
D. Benoit, V. Chaplinski, R. Braslau, C. J. Hawker; J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 3904 – 3920
87
C. J. Hawker, A. W. Bosman, E. Harth; Chem. Rev., 2001, 101, 3661 – 3688
88
R. B. Grubbs; Polym. Rev. 2011, 51, 104 – 137
89
F. Minisci; Acc. Chem. Res. 1975, 8, 165 – 171
90
J.-S. Wang, K. Matyjaszewski; J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 5614 – 5615
91
M. Kato, M. Kamigaito, M. Sawamoto, T. Higashimura; Macromolecules 1995, 28, 1721 – 1723
92
K. Matyjaszewski, J. Xia; Chem. Rev. 2001, 101, 2921 – 2990
93
Y. A. Kabachii, S. Y. Kochev, L. M. Bronstein, I. B. Blagodatskikh, P. M. Valetsky; Polym. Bull.
2003, 50, 271 – 278
94
J. A. M. Brandts, P. van de Geijn, E. E. van Faassen, J. Boersma, G. van Koten; J. Organomet.
Chem. 1999, 584, 246 – 253
95
Y. Kotani, M. Kamigaito, M. Sawamoto; Macromolecules 1999, 32, 2420 – 2424
96
M. Teodorescu, S. G. Gaynor, K. Matyjaszewski; Macromolecules 2000, 33, 2335 – 2339
97
F. Simal, A. Demonceau, A. F. Noels; Angew. Chem. Int. Ed. 1999, 38, 538 – 540
98
W. A. Braunecker, Y. Itami, K. Matyjaszewski; Macromolecules 2005, 38, 9402 – 9404
99
V. Percec, B. Barboiu, A. Neumann, J. C. Ronda, M. Zhao; Macromolecules 1996, 29, 3665 – 3668
100
B. Wang, Y. Zhuang, X. Luo, S. Xu, X. Zhou; Macromolecules 2003, 36, 9684 – 9686
101
H. Uegaki, Y. Kotani, M. Kamigaito, M. Sawamoto; Macromolecules 1997, 30, 2249 – 2253
102
P. Lecomte, I. Drapier, P. Dubois, P. Teyssié, R. Jéròme; Macromolecules 1997, 30, 7631 – 7633
103
W. Tang, K. Matyjaszewski; Macromolecules 2006, 39, 4953 – 4959
104
G. Coullerez, A. Carlmark, E. Malmström, M. Jonsson; J. Phys. Chem. A 2004, 108, 7129 – 7131
Literaturverzeichnis 176
105
W. Tang, K. Matyjaszewski; Macromolecules 2007, 40, 1858 – 1863
106
F. Seeliger, K. Matyjaszewski; Macromolecules 2009, 42, 6050 – 6055
107
N. Tsarevsky, T. Pintauer, K. Matyjaszewski; Macromolecules 2004, 37, 9768 – 9778
108
K. Matyjaszewski, N. V. Tsarevsky, W. A. Braunecker, H. Dong, J. Huang, W. Jakubowski, Y.
Kwak, R. Nicolay, W. Tang, J. A. Yoon; Macromolecules 2007, 40, 7795 – 7806
109
N. V. Tsarevsky, K. Matyjaszewski; Chem. Rev. 2007, 107, 2270 – 2299
110
J. Xia, K. Matyjaszewski; Macromolecules 1997, 30, 7692 – 7696
111
J. Gromada, K. Matyjaszewski; Macromolecules 2001, 34, 7664 – 7671
112
W. Jakubowski, K. Matyjaszewski; Macromolecules 2005, 38, 4139 – 4146
113
K. Min, H. Gao, K. Matyjaszewski; J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 3825 – 3830
114
H. Tang, M. Radosz, Y. Shen; Macromol. Rapid Commun. 2006, 27, 1127 – 1131
115
J. K. Oh, F. Perineau, B. Charleux, K. Matyjaszewski; J. Polym. Sci. A 2009, 47, 1771 – 1781
116
L. Bai, L. Zhang, J. Zhu, Z. Cheng, X. Zhu; J. Polym. Sci. A 2009, 47, 2002 – 2008
117
K. Matyjaszewski, W. Jakubowski, K. Min, W. Tang, J. Huang, W. A. Braunecker, N. V. Tsarevsky;
PNAS 2006, 103, 15309 – 15314
118
W. Jakubowski, K. Matyjaszewski; Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 4482 – 4486
119
W. Jakubowski, K. Matyjaszewski; Macromolecules 2006, 39, 39 – 45
120
N. V. Tsarevsky, W. A. Braunecker, A. Vacca, P. Gans, K. Matyjaszewski; Macromol. Symp. 2007,
248, 60 – 70
121
T. E. Patten, J. Xia, T. Abernathy, K. Matyjaszewski; Science 1996, 272, 866 – 868
122
K. Matyjaszewski, M. J. Ziegler, S. V. Arehart, D. Greszta, T. Pakula; J. Phys. Org. Chem. 2000,
13, 775 – 786
123
K. Matyjaszewski; Polym. Int. 2003, 52, 1559 – 1565
124
V. Coessens, T. Pintauer, K. Matyjaszewski; Prog. Polym. Sci. 2001, 337 – 377
125
K. A. Davis, K. Matyjaszewski; Adv. Polym. Sci. 2002, 159, 1
126
L. Peng; e-Polymers 2007, no. 062
127
F. J. Xu, K. G. Neoh, E. T. Kang; Prog. Polym. Sci. 2009, 34, 719 – 761
128
K. Matyjaszewski, N. Tsarevsky; Nature Chemistry 2009, 1, 276 – 288
129
K. Matyjaszewski, J. Spanswick; Mater. Today 2005, 8, 26 – 33
130
T. Noda, A. J. Grice, M. E. Levere, D. M. Haddleton; Eur. Polym. J. 2007, 43, 2321 – 2330
131
T. P. Lodge; Macromol. Chem. Phys. 2003, 204, 265 – 273
132
M. Pitsikalis, S. Pispas, J. W. Mays, N. Hadjichristidis, Adv. Polym. Sci. 1998, 135, 1 – 137
Literaturverzeichnis 177
133
N. Hadjichristidis, H. Iatrou, M. Pitsikalis, J. Mays; Prog. Polym. Sci. 2006, 31, 1068 – 1132
134
N. Hadjichristidis, S. Pispas, G. A. Floudas; Block Copolymers: Synthetic Strategies, Physical
Properties And Applications, Wiley-Interscience, 2003
135
N. Hadjichristidis, M. Pitsikalis, H. Iatrou; Adv. Polym. Sci. 2005, 189, 1 – 124
136
P. Jiang, Y. Shi, P. Liu, Y. Cai; J. Polym. Sci. A 2007, 45, 2947 – 2958
137
Y. Kotsuchibashi, M. Ebara, K. Yamamoto, T. Aoyagi; J. Polym. Sci. A 2010, 48, 4393 – 4399
138
G. del C. Pizarro; O. G. Marambio, M. Jeria-Orell, M. E. Flores, B. L. Rivas; J. Appl. Polym. Sci.
2010, 118, 3649 – 3657
139
K.-Y. Baek; J. Polym. Sci. 2008, 46, 5991 – 5998
140
L. He, J. P. Hinestrosa, J. M. Pickel, S. Zhang, D. G. Bucknall, S. M. Kilbey II, J. W. Mays, K. Hong;
J. Polym. Sci. A 2011, 49, 414 – 422
141
X. He, X. Wu, C. Gao, K. Wang, S. Lin, W. Huang, M. Xie, D. Yan; React. Funct. Polym. 2011, 71,
544 – 552
142
T. Boursier, I. Chaduc, J. Rieger, F. D’Agosto, M. Lansalot, B. Charleux; Polym. Chem. 2011, 2,
355 – 362
143
C. E. Lipscomb, M. K. Mahanthappa; Macromolecules 2011, 44, 4401 – 4409
144
W. Wang, W. Ren, L. Jiang, Y. Dan; J. Appl. Polym. Sci. 2010, 118, 2379 – 2388
145
M. Kipping, F. Krahl, A. Döring, H.-J. P. Adler, D. Kuckling; Eur. Polym. J. 2010, 46, 313 – 323
146
B. S. Sumerlin, A. P. Vogt; Macromolecules 2010, 43, 1 – 13
147
J. del Barrio, L. Oriol, R. Alcalá, C. Sánchez; J. Polym. Sci. A 2010, 48, 1538 – 1550
148
M. J. Nasrullah, A. Vora, D. C. Webster; Macromol. Chem. Phys. 2011, 212, 539 – 549
149
S. Reinicke, H. Schmalz; Colloid. Polym. Sci. 2011, 289, 497 – 512
150
S. Förster, T. Plantenberg; Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 688 – 714
151
O. S. Rabotyagova, P. Cebe, D. L. Kaplan; Biomacromolecules 2011, 12, 269 – 289
152
A. P. R. Johnston, G. K. Such, S. L. Ng, F. Caruso; Curr. Opin. Colloid. In. 2011, 16, 171 – 181
153
F. S. Kim, G. Ren, S. A. Jenekhe; Chem. Mater. 2011, 23, 682 – 732
154
P. D. Topham, A. J. Parnell, R. C. Hiorns; J. Polym. Sci. B 2011, 49, 1131 – 1156
155
M. C. Orilall, U. Wiesner; Chem. Soc. Rev. 2011, 40, 520 – 535
156
J. K. Kim, S. Y. Yang, Y. Lee, Y. Kim; Progr. Polym. Sci. 2010, 35, 1325 – 1349
157
G. Riess; Progr. Polym. Sci. 2003, 28, 1107 – 1170
158
R. Nagarjan, K. Ganesh, Macromolecules 1989, 22, 4312 – 4325
159
Y. Teng, M. E. Morrison, P. Munk, S. E. Webber; Macromolecules 1998, 31, 3578 – 3587
Literaturverzeichnis 178
160
T. Cao, P. Munk, C. Ramireddy, Z. Tuzar, S. E. Webber; Macromolecules 1991, 24, 6300 – 6305
161
M. Stepanek, K. Krijtova, K. Prochazka, Y. Teng, S. E. Webber, P. Munk; Acta Polym. 1998, 49, 96
– 102
162
P. Linse in: Amphiphilic Block Copolymers: Self-Assembly And Applications (editors: P.
Alexandridis, B. Lindmann), Chapter 2, Amsterdam: Elsevier, 2000, 13 – 40
163
G. Yu, A. Eisenberg; Macromolecules 1998, 31, 5546 – 5549
164
Z. Gao, S. K. Varshney, S. Wong, A. Eisenberg; Macromolecules 1994, 27, 7923 – 7927
165
Y. Zheng, Y.-Y. Won, F. S. Bates, H. T. Davis, L. E. Scriven, Y. Talmon; J. Phys. Chem. B 1999,
103, 10331 – 10334
166
F. J. Esselink, E. Dormidontowa, G. Hadziioannou; Macromolecules 1998, 31, 2925 – 2932
167
Y.-W. Yang, Z. Yang, Z.-K. Zhou, D. Attwood, C. Booth; Macromolecules 1996, 29, 670 – 680
168
Z. Zhou, Y.-W. Yang, C. Booth, B. Chu; Macromolecules 1996, 29, 8357 – 8361
169
Z. Zhou, B. Chu; Macromolecules 1996, 29, 3663 – 3664
170
Y. Li, H. J. Heo, G. H. Gao, S. W. Kang, C. T. Huynh, M. S. Kim, J. W. Lee, J. H. Lee, D. S. Lee;
Polymer 2011, 52, 3304 – 3310
171
W. Zhu, A. Nese, K. Matyjaszewski; J. Polym. Sci. A 2011, 49, 1942 – 1952
172
Y.-Z. You, C.-Y. Hong, C.-Y. Pan, P.-H. Wang; Adv. Mater. 2004, 16, 1953 – 1957
173
Z. Ge, S. Liu; Macromol. Rapid Commun. 2009, 30, 1523 – 1532
174
N. Rapoport; Prog. Polym. Sci. 2007, 32, 962 – 990
175
D. A. Rider, M. A. Winnik, I. Manners; Chem. Commun. 2007, 4483 – 4485
176
Z. Feng, L. Lin, Z. Yan, Y. Yu; Macromol. Rapid Commun. 2010, 31, 640 – 644
177
J. Ren, M. Jia, T. Ren, W. Yuan, Q. Tan; Mater. Lett. 2008, 62, 4425 – 4427
178
Y. Ishihara, H. S. Bazzi, V. Toader, F. Godin, H. F. Sleiman; Chem. Eur. J. 2007, 13, 4560 – 4570
179
D. Roy, J. N. Cambre, B. S. Sumerlin; Chem. Commun. 2008, 2477 – 2479
180
J. E. Chung, M. Yokoyama, M. Yamato, T. Aoyagi, Y. Sakurai, T. Okano; J. Control. Release 1999,
62, 115 – 127
181
M. Nakayama, J. E. Chung, T. Miyazaki, M. Yokoyama, K. Sakai, T. Okano; React. Funct. Polym.
2007, 67, 1398 – 1407
182
O. J. Cayre, N. Chagneux, S. Biggs; Soft Matter 2011, 7, 2211 – 2234
183
D. Neradovic, O. Soga, C. F. Van Nostrum, W. E. Hennink; Biomaterials 2004, 25, 2409 – 2418
184
G. Pasparakis, M. Vamvakaki; Polym. Chem. 2011, 2, 1234 – 1248
185
Y. Xu, L. Shi, R. Ma, W. Zhang, Y. An, X. X. Zhu; Polymer 2007, 48, 1711 – 1717
Literaturverzeichnis 179
186
A. E. Smith, X. Xu, S. E. Kirkland-York, D. A. Savin, C. L. McCormick; Macromolecules 2010, 43,
1210 – 1217
187
K. T. Kim, S. A. Meeuwissen, R. J. M. Nolte, J. C. M. van Hest; Nanoscale 2010, 2, 844 – 858
188
P. Shao, B. Wang, Y. Wang, J. Li, Y. Zhang; J. Nanomaterials 2011, Article ID 389640, 1 – 12
189
H. Chen, L.-H. Liu, L.-S. Wang, C.-B. Ching, H.-W. Yu, Y.-Y. Yang; Adv. Funct. Mater. 2008, 18, 95
– 102
190
S. Mendrek, A. Mendrek, H.-J. Adler, A. Dworak, D. Kuckling; Macromolecules 2009, 42, 9161 –
9169
191
Y. Wang, G. Wei, W. Zhang, X. Jiang, P. Zheng, L. Shi, A. Dong; J. Mol. Catal. A: Chem. 2007,
266, 233 – 238
192
K. J. Pedersen; J. Phys. Chem. 1934, 38, 559 – 571
193
F. H. Westheimer, W. A. Jones; J. Am. Chem. Soc. 1941, 63, 3283 – 3286
194
Z. G. Hajos, D. R. Parrish; J. Org. Chem. 1974, 39, 1615 – 1621
195
K. N. Houk, P. H.-Y. Cheong; Nature 2008, 455, 309 – 313
196
S. Aratake, T. Itoh, T. Okano, T. Usui, M. Shoji, Y. Hayashi, Chem. Commun. 2007, 2524 – 2526
197
B. Rodriguez, C. Bolm, J. Org. Chem. 2006, 71, 2888 – 2891
198
D. B. Ramachary, M. Kishor, J. Org. Chem. 2007, 72, 5056 – 5068
199
A. Massi, A. Nuzzi, A. Dondoni, J. Org. Chem. 2007, 72, 10279 – 10282
200
D. E. Bergbreiter, B. L. Case, Y.-S. Liu, J. W. Caraway; Macromolecules 1998, 31, 6053 – 6062
201
W. J. Shaw, J. C. Linehan, A. Gutowska, D. Newell, T. Bitterwolf, J. L. Fulton, Y. Chen, C. F.
Windisch; Inorg. Chem. Commun. 2005, 8, 894
202
D. M. Vriezema, M. C. Aragonès, J. A. A. W. Elemans, J. J. L. M. Cornelissen, A. E. Rowan, R. J.
M. Nolte; Chem. Rev. 2005, 105, 1445 – 1489
203
H. Hamamoto, Y. Suzuki, Y. M. A. Yamada, H. Tabata, H. Takahashi, S. Ikegami; Angew. Chem.
Int. Ed. 2005, 44, 4536 – 4538
204
Y. Wang, G. Wei, W. Zhang, X. Jiang, P. Zheng, L. Shi, A. Dong; J. Mol. Catal. A: Chem. 2007,
266, 233 – 238
205
H. Chen, L.-H. Liu, L.-S. Wang, C.-B. Ching, H.-Y. Yu, Y.-Y. Yang; Adv. Funct. Mater. 2008, 18, 95
– 102
206
N. Welsch, M. Ballauff, Y. Lu; Adv. Polym. Sci. 2010, 234, 129 – 163
207
Y. Lu, M. Ballauff; Progr. Polym. Sci. 2011, 36, 767 – 792
208
B. M. L. Dioos, I. F. J. Vankelecom, P. A. Jacobs; Adv. Synth. Catal. 2006, 348, 1413 – 1446
209
R. A. Sheldon; Adv. Synth. Catal. 2007, 349, 1289 – 1307
210
A. K. Shakya, H. Sami, A. Srivastava, A. Kumar; Progr. Polym. Sci. 2010, 35, 459 – 486
Literaturverzeichnis 180
211
K. Kondo, T. Yamano, K. Takemoto; Makromol. Chem. 1985, 186, 1781 – 1785
212
D. Font, C. Jimeno, M. A. Pericàs; Org. Lett. 2006, 8, 4653 – 4655
213
M. Benaglia, G. Celentano, F. Cozzi; Adv. Synth. Catal. 2001, 343, 171 – 173
214
T. Kawasaki, T. Komai; Polym. J. 1983, 15, 743 – 751
215
T. E. Kristensen, K. Vestli, K. A. Fredriksen, F. K. Hansen, T. Hansen; Org. Lett. 2009, 11, 2968 –
2971
216
M. Gruttadauria, F. Giacalone, R. Noto, Chem. Soc. Rev. 2008, 37, 1666 – 1688
217
T. E. Kristensen, T. Hansen; Eur. J. Org. Chem. 2010, 3179 – 3204
218
M. Ciampolini, N. Nardi; Inorg. Chem. 1966, 5, 41 – 44
219
C. C. Yu, Y.-S. Lee, B. S. Cheon, S. H. Lee; Bull. Korean Chem. Soc. 2003, 24, 1229 – 1231
220
X.-S- Feng, C.-Y. Pan, J. Wang; Macromol. Chem. Phys. 2001, 202, 3403 – 3409
221
T. E. Kristensen, K. Vestli, K. A. Fredriksen, F. K. Hansen, T. Hansen; Org. Lett. 2009, 11, 2968 –
2971
222
H. Brechbühler, H. Büchi, E. Hatz, J. Schreiber, A. Eschenmoser; Helv. Chim. Acta 1965, 48, 1746
– 1771
223
A. Lemke, M. Büschleb, C. Ducho; Tetrahedron 2010, 66, 208 – 214
224
A. Döring; Diplomarbeit, TU Dresden 2007
225
M. Kipping; Dissertation, TU Dresden 2008
226
N. Mase, Y. Nakai, N. Ohara, H. Yoda, K. Takabe, F. Tanaka, C. F. Barbas III; J. Am. Chem. Soc.
2006, 128, 734 – 735
227
T. E. Kristensen, F. K. Hansen, T. Hansen; Eur. J. Org. Chem. 2009, 3, 387 – 395
228
H. G. Becker, W. Berger, G. Domschke, E. Fanghänel, J. Faust, M. Fischer, F. Gentz, K. Gewald,
R. Gluch, R. Mayer, K. Müller, D. Pavel, H. Schmidt, K. Schollberg, K. Schwetlick, E. Seiler, G.
Zeppenfeld; Organikum, 20. Auflage, Wiley-VCH, 1999
229
E. Taschner, A. Chimiak, B. Bator, T. Sokolowska; Liebigs Ann. 1961, 646, 134 – 136
230
K. Pan, R. Ren, Y. Dan, B. Cao; J. Appl. Polym. Sci. 2011, 122, 2047 – 2053
231
Z. Gao, X. Tao, Y. Cui, T. Satoh, T. Kakuchi, Q. Duan; Polym. Chem. 2011, 2, 2590 – 2596
232
G. Masci, L. Giacomelli, V. Crescenzi; Macromol. Rapid Commun. 2004, 25, 559 – 564
233
K. Matyjaszewski, N. V. Tsarevsky, W. A. Braunecker, H. Dong, J. Huang, W. Jakubowski, Y.
Kwak, R. Nicolay, W. Tang, J. A. Yoon; Macromolecules 2007, 40, 7795 – 7806
234
D. J. Kim, S. M. Kang, B. Kong, W.-J. Kim, H.-j. Paik, H. Choi, I. S. Choi; Macromol. Chem. Phys.
2005, 206, 1941 – 1946
235
X. Zhao, W. Liu, D. Chen, X. Lin, W. Lu; Macromol. Chem. Phys. 2007, 208, 1773 – 1781
236
Y. Kotsuchibashi, Y. Kuboshima, K. Yamamoto, T. Aoyagi; J. Polym. Sci. A 2008, 46, 6142 – 6150
Literaturverzeichnis 181
237
C.-J. Huang, F.-C. Chang; Macromolecules 2008, 41, 7041 – 7052
238
X. Lu, L. Zhang, L. Meng, Y. Liu; Polym. Bull. 2007, 59, 195 – 206
239
J. Couet, M. Biesalski; Macromolecules 2006, 39, 7258 – 7268
240
W. Tang, N. V. Tsarevsky, K. Matyjaszewski; J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 1598 – 1604
241
J.T. Rademacher, M. Baum, M.E. Pallack, W. J. Brittain, W. J. Simonsick; Macromolecules 2000,
33, 284 – 288
242
B. Baser, G. B. Demirel, T. Caykara; J. Appl. Polym. Sci. 2011, 120, 1420 – 1425
243
S. Q. Liu, Y. W. Tong, Y.-Y. Yang; Biomater. 2005, 26, 5064 – 5074
244
D. J. Keddie, C. Guerrero-Sanchez, G. Moad, E. Rizzardo, S. H. Thang; Macromolecules 2011, 44,
6738 – 6745
245
J.-F. Lutz, D. Neugebauer, K. Matyjaszewski; J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 6986 – 6993
246
Y. M. Popkov, B. I. Nakhmanovich, F. K. Chibirova, E. V. Bune, A. A. Arest-Yakubovich; Polym.
Sci. B. 2007, 49, 155 – 158
247
M. Teodorescu, K. Matyjaszewski; Macromol. Rapid Commun. 2000, 21, 190 – 194
248
S. Ding, M. Radosz, Y. Shen; Macromol. Rapid Commun. 2004, 25, 632 – 636
249
M. R. Whittaker, C. N. Urbani, M. J. Monteiro; J. Polym. Sci. A 2008, 46, 6346 – 6357
250
H. Schäfer; Bachelorarbeit, Universität Paderborn 2009
251
A. Krause; Bachelorarbeit, Universität Paderborn 2011
252
D. E. Discher, A. Eisenberg; Science 2002, 297, 967 – 973
253
Y. Hayashi, T. Sumiya, J. Takahashi, H. Gotoh, T. Urushima, M. Shoji; Angew. Chem. Int. Ed.
2006, 45, 958 – 961
254
N. Zotova, A. Franzke, A. Armstrong, D. G. Blackmond; J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 15100 -
15101
255
M. Gruttadauria, F. Giacalone, R. Noto; Adv. Synth. Catal. 2009, 351, 33 – 57
256
N. Mase, N. Noshiro, A. Mokuya, K. Takabe; Adv. Synth. Catal. 2009, 351, 2791 – 2796
Danksagung
An dieser Stelle möchte ich mich bei allen Menschen bedanken, die mich während
meiner Promotion tatkräftig unterstützt und somit zum Erfolg dieser Arbeit beige-
tragen haben.
Herrn Prof. Dr. rer. nat. habil. Dirk Kuckling gilt mein besonderer Dank für die Bereit-
stellung des interessanten Themas, für die Betreuung während der Promotion und für
die umfassende Unterstützung, die er mir zukommen hat lassen.
Bei Herrn Prof. Dr. rer. nat. habil. Hans-Jürgen Adler möchte ich mich dafür
bedanken, dass ich während der Zeit in Dresden meine Promotion am Institut für
Makromolekulare Chemie und Textilchemie der TU Dresden beginnen durfte.
Bei Frau Dr. Antje Britze und Herrn Dr. Wolfgang Birnbaum möchte ich mich herzlich
dafür bedanken, dass sie mich bei dem Umzug nach Paderborn unterstützt und bei
der Eingewöhnung in die neue Umgebung geholfen haben. Darüber hinaus bedanke
ich mich bei Herrn Dr. Birnbaum insbesondere für die tatkräftige Unterstützung im
Laboralltag, für die hilfreichen und anregenden fachlichen Diskussionen und nicht
zuletzt für seine Freundschaft, die mir in so manch schweren Zeiten in und außerhalb
der Universität sehr geholfen hat.
Bei Frau Agnes Wycisk und Herrn Simon Schmücker möchte ich mich herzlich für die
Unterstützung im Labor sowie für die Zeit bedanken, die wir außerhalb des Laborall-
tags zusammen verbracht haben.
Für die sehr große moralische Unterstützung innerhalb und außerhalb der Universität
möchte ich an dieser Stelle ganz besonders bei Frau Annette Lefarth bedanken, die
mir somit sehr geholfen hat, mich an der Universität Paderborn einzuleben und
zurechtzufinden.
Auch bei den anderen Mitgliedern des Arbeitskreises von Herrn Prof. Kuckling, Frau
Mariola Zukowski, Frau Angelika Kröber und Herrn Momen Ahmed Ali, möchte ich
mich für die alltägliche Unterstützung während meiner Promotion ganz herzlich
bedanken.
Für die schnelle und unkomplizierte Durchführung von unzähligen NMR-Messungen
bedanke ich mich ganz herzlich bei Frau Karin Stolte. Für die stets sehr freundliche
Unterstützung bei der Auswahl geeigneter NMR-Methoden sowie bei der Auswertung
der NMR-Spektren gilt mein besonderer Dank Herrn Dr. Hans Egold.
Für die Möglichkeit, zahlreiche DLS-Messungen durchführen zu können, bedanke ich
mich bei Herrn Prof. Dr. Wolfgang Bremser und Herrn Dr. Oliver Seewald.
Für die stets sehr gute Zusammenarbeit und Unterstützung möchte ich mich
ausdrücklich bei allen Mitgliedern der Arbeitskreise von Herrn Prof. Dr. Nikolaus
Risch, Herrn Prof. Dr. Karsten Krohn, Herrn Prof. Dr. Gregor Fels, Herrn Prof. Dr.
René Wilhelm und Herrn Prof. Dr. Christian Ducho bedanken.
Der Deutschen Forschungsgemeinschaft danke ich für die finanzielle Unterstützung
meiner Promotion im Rahmen des DFG-Projekts „Mimic of Enzyme Behaviour by
Smart Block Copolymers“.
Ein ganz besonderer Dank, den man kaum in Worte fassen kann, gilt meiner Familie
und meinen engen Freunden, die mir in allen Phasen meiner Promotion und meines
Privatlebens sehr geholfen und damit den erfolgreichen Abschluss dieser Arbeit erst
ermöglicht haben.
Anerkennung der Promotionsordnung
Hiermit erkenne ich die Promotionsordnung der Fakultät für Naturwissenschaften der
Universität Paderborn vom 10. Dezember 2004 an, welche aufgrund des § 2 Abs. 4
und des § 97 Abs. 4 des Gesetzes über die Hochschulen des Landes Nordrhein-
Westfalen (Hochschulgesetz – HG) vom 14. März 2000 (GV NRW S. 190), zuletzt
geändert durch ein Gesetz vom 16. Dezember 2003 (GV. NRW. S. 772), von der
Universität erlassen wurde. Bisher wurde weder an der Universität Paderborn noch
an einer anderen Hochschule im In- oder Ausland ein Promotionsversuch
vorgenommen.
Artjom Döring
Eidesstattliche Erklärung
Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende Arbeit ohne unzulässige Hilfe Dritter
und ohne Benutzung anderer als der angegebenen Hilfsmittel angefertigt habe; die
aus fremden Quellen direkt oder indirekt übernommenen Gedanken sind als solche
kenntlich gemacht. Die Arbeit wurde bisher weder im Inland noch im Ausland in
gleicher oder ähnlicher Form einer anderen Prüfungsbehörde vorgelegt.
Die Dissertation wurde an der Professur für Makromolekulare Chemie und
Textilchemie der Technischen Universität Dresden begonnen, an der Professur für
Organische und Makromolekulare Chemie der Universität Paderborn fortgeführt und
unter wissenschaftlicher Betreuung von Prof. Dr. rer. nat. habil. Dirk Kuckling
angefertigt.
Artjom Döring
