↓384 |
Eines der zentralen Ziele der modernen synthetischen Chemie besteht darin, effiziente, reproduzierbare Reaktionen zu entwickeln und harsche Reaktionsbedingungen sowie komplex durchzuführende Reaktionen, bei denen die Produkte über zeitintensive Verfahren gereinigt werden müssen, abzulösen.[1] Hierbei spielen die von Sharpless, Kolb und Finn 2001[2] als Klick-Reaktionen definierten Umsetzungen mittlerweile eine wichtige Rolle, wobei sich insbesondere die Kupfer(I)-katalysierte Cycloaddition terminaler Alkine und Acetylene in ihrer Relevanz hervortut.[3,4] Die Klick-Chemie, die anfangs nur als allgemeingültiges Konzept angesehen wurde, das auf einige spezielle Reaktionen der organischen Synthese zutrifft, und insbesondere die als Klick-Reaktion bezeichnete Kupfer(I)-katalysierte Cycloaddition, hat sehr bald in der makromolekularen Chemie Einzug gehalten. Hier werden aufgrund der Komplexizität der makromolekularen Zielstrukturen bevorzugt effiziente und einfach durchführbare Synthesen verwendet um makromolekulare Architekturen definierter Größe, Form, Topologie und Polarität bzw. Amphiphilie wie beispielsweise Dendrimere,[5,6] dendronisierte Polymere,[7-10] formstabile 2D/3D Architekturen[11,12] oder Foldamere generieren zu können.[13-15] Das große Potential der Klick-Reaktion nutzten erstmals Hawker, Fréchet und Sharpless bei der effektiven Darstellung einer Vielzahl von Dendrimer-Strukturen, die sie nach einem Baukastenprinzip aus diversen Bausteinen bis zur vierten Generation zusammensetzten.[16]
↓385 |
Eine besondere Klasse innerhalb der makromolekularen Strukturen definierter Größe und Form stellen die Foldamere dar. Hierbei handelt es sich um oligomere oder polymere Stränge, die eine starke Tendenz zeigen, eine spezifische, kompakte Konformation einzunehmen.[13] Häufig resultiert dieses Verhalten aus der besonderen konformationell eingeschränkten Struktur des Rückgrats. Für die Darstellung von derartigen polymeren Foldamerrückgraten können daher auch nur ausgewählte Polymerisationsreaktionen eingesetzt werden, nicht geeignet sind beispielsweise etablierte Polymerisationstechniken wie die kontrollierte freie Radikal-Polymerisation oder die anionische Polymerisation von vinylischen Monomeren, da hierbei Polymere mit einem gesättigten und daher flexiblen Polymerrückgrat entstehen. Die Klick-Reaktion bietet sich als innovative Polymerisationstechnik für das Design von Foldameren an, da sie die Möglichkeit bietet, eine Vielzahl an ausgewählten Bausteinen effizient miteinander über Triazolringe zu verknüpfen und zudem eine Vielzahl an funktionellen Gruppen bei der Umsetzung toleriert. Bei entsprechender Wahl der Monomerbausteine sollten sich so triazolylbasierte Foldamerrückgrate mit integrierten Funktionalitäten effizient darstellen lassen. Erstaunlicherweise wurde die Klick-Reaktion, gemessen an ihren sonst so vielseitigen Anwendungen, bislang relativ selten als Polymerisationstechnik verwendet, um lineare funktionale Polymerstränge zu generieren.[17-19] Aufgrund des (teilweise) aromatischen Triazol-Rückgrats besaßen die über die Klick-Reaktion synthetisierten Polymere häufig eine zu geringe Löslichkeit, um weiter verarbeitet oder auf mögliche Anwendungen getestet werden zu können, wenn nicht löslichkeitsvermittelnde Gruppen angeknüpft waren.[17-20] Insbesondere sind die Beispiele, in denen die Klick-Polymerisationsreaktion für die Darstellung von polymeren Foldamer-Rückgraten verwendet wurde, sehr rar und beschränken sich auf eine Veröffentlichung von Yashima im Jahr 2008, in der er und seine Mitarbeiter optisch aktive Poly-(1,4-triazol-alt-m-phenylen)e in der Kupfer(I)-katalysierten Cycloaddition unter Mikrowellenbestrahlung darstellten.[21]
In dieser Arbeit wird die Klick-Reaktion als eine effiziente Polymerisationstechnik vorgestellt, mit Hilfe derer neue, responsive aromatische Foldamerrückgrate synthetisiert werden.
Ziel dieser Arbeit war es, Reaktionsprotokolle für die Klick-Polymerisation zu erstellen und diese zu optimieren, um Polymere möglichst großer Molmasse (und relativ enger Molmassenverteilung) zu synthetisieren. Bei der Reaktionsoptimierung wurden Parameter wie die Art der Kupferquelle, des Reduktions- und des Lösungsmittels variiert und der Einfluss der Reaktionsführung bei Mikrowellenbestrahlung und unter Ultraschall untersucht.
↓386 |
In Analogie zu den in Kapitel 6 im Detail vorgestellten Oligomeren können theoretisch drei Polymerserien mit unterschiedlich rigiden Polymerrückgraten synthetisiert werden. Das Rückgrat ist umso rigider, je größer der Anteil an Pyridin-Ringen ist. Die konformationelle Restriktion nimmt daher bei den in Abbildung 8–1 dargestellten Polymerrückgraten von oben nach unten zu.
Die Polymerisation, die über ein Stufenwachstum erfolgt, kann über zwei verschiedene Ansätze durchgeführt werden. In der AB-Polymerisation befinden sich die miteinander reagierenden Funktionalitäten im gleichen Monomerbaustein und so ist zwangsweise sichergestellt, dass eine ideale 1:1- Stöchiometrie von Azid- zu Acetylenfunktionalität vorliegt. In der (A2 + B2) -Polymerisation werden zwei bifunktionale Komponenten miteinander umgesetzt, also ein Aryldiazid mit einem Diethynylaryl-Baustein. Hierbei ist darauf zu achten, dass die Monomere möglichst genau in einem 1:1-Verhältnis eingesetzt werden, um den Ablauf der (A2 + B2)-Polymerisation optimal und reproduzierbar zu gewährleisten. Dies setzt zum einen eine hohe Reinheit der Monomerbausteine voraus und zum anderen muss bei den Polymerisationsansätzen präparativ äußerst sorgfältig gearbeitet werden, um das 1:1-Verhältnis der Monomere einzuhalten. Je nachdem, ob die AB- oder die (A2 + B2)- Polymerisation verwendet wird, ergibt sich eine unterschiedliche Konnektivität bzw. Abfolge der Aromatenringe im Polymerrückgrat, die sich auf die Eigenschaften des Polymers auswirkt (Abbildung 8–1).
↓387 |
In dieser Arbeit wurde ausschließlich der Polymerisationsansatz der (A2 + B2)-Polymerisation untersucht, da die hierfür benötigten A2- und B2-Monomerbausteine über die gleichen effizienten Syntheserouten dargestellt werden können, die bereits für die Synthese der BTP-Verbindungen (Kapitel 4.2) sowie der Klickamer-Oligomere (Kapitel 6.2.1) erarbeitet wurden. Da das Monomer 161 bzw. dessen Derivate synthetisch nicht zugänglich waren, konnte die (A2 + B2)- oder (AB) -Polmerisation zu Polymeren mit rigidem Rückgrat 162 bzw. 164 nicht untersucht werden (siehe Kapitel 7).
Die in dieser Arbeit durchgeführten und untersuchten (A2 + B2)-Polymerisationen sind in Abbildung 8–2 zusammengefasst. Es sollten Polymere mit unterschiedlichem Polymerrückgrat dargestellt werden, die sich bedingt durch die (Hetero)aromatenringe in der Rigidität des Rückgrats voneinander unterscheiden. In das Phenyl-alt-Triazol-alt-Pyridin-alt-Triazol-Rückgrat 105 sind BTP-Einheiten implementiert, die zum einen eine gewisse Rigidität des Polymer-Rückgrats zur Folge haben, die sich positiv auf die helikale Faltung auswirkt (vergleiche hierzu das Kapitel 6), zum anderen reagieren die BTP-Einheiten responsiv auf Metallionen und Protonen. Durch Protonierung oder Metallierung kommt es zu einer starken strukturellen Änderung der BTP-Einheit, die in eine gestreckte Konformation übergeht (siehe Kapitel 4.7). Untersucht wurde die Möglichkeit, diese BTP-Einheiten im Polymerstrang strukturell schalten und damit auf das Faltungsverhalten der Polymere einwirken zu können.
In allen drei hier vorgestellten Polymerserien 104, 105 und 111 sind chirale 3,5-Diazidobenzoesäureester 107 in das Rückgrat integriert. Dies ermöglicht es, das helikale Faltungsverhalten der Polymere mit Hilfe der CD-Spektroskopie vermessen zu können.
↓388 |
Die Synthese der in Abbildung 8–2 aufgeführten Monomerbausteine 107, 1, und 2 wurde bereits in den Abschnitten 4.2 und 6.2.1 beschrieben.
Die Reaktionsoptimierung der Poly-Klick-Reaktionen erfolgte anhand der Polymerisation von 1 und 107 zu 105, da das 2,6-Diethynylpyridin 1 bei Raumtemperatur als Festsubstanz vorliegt und eine genaue Einwaage ermöglicht. Der bei Raumtemperatur als viskoses Öl vorliegende 3,5-Diazidobenzoesäureester 107 wurde in dem Reaktionskolben vorgelegt, dann das entsprechend abgewogene 2,6-Diethynylpyridin 1 hinzugegeben und anschließend die weiteren Schritte für die Polymerisation durchgeführt.
↓389 |
Die Wahl des Kupferkatalysators bzw. der Kupferquelle ist essentiell bei Klick-Reaktionen. Zudem wird durch die Kupferquelle bestimmt, welches Lösungsmittel in der Reaktion zu verwenden ist. Eine Unterscheidung lässt sich in Kupfer(II) und Kupfer(I)-Quellen machen, wobei in diesen Versuchen als Kupfer(II)-Quelle ausschließlich CuSO4 verwendet wurde, das in situ mit Natriumascorbat zu Kupfer(I) reduziert wird. Die Kombination von CuSO4 mit Natriumascorbat wird in der Literatur am häufigsten in Klick-Reaktionen verwendet.[22] Beide setzen aber ein wässriges Reaktionsmedium voraus, da die Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln ohne Wasseranteil sehr gering ist.
Für die Polymerisationen wurden als Kupfer(I)-Quellen Kupfer(I)-bromid (CuBr) und Tetrakis(acetonitril)kupfer(I)-hexafluorophosphat (Cu(CH3CN)4PF6) verwendet. Diese wurden (meist) in Kombination mit Kupferspänen eingesetzt, um durch Disproportionierung oder Oxidation entstandenes Kupfer(II) in einer Komproportionierung mit dem Kupfer(0) wieder zu Kupfer(I) zu reduzieren.
Den Klick-Reaktionen wurden reaktionsbeschleunigende Liganden zugesetzt. Sie haben in Verbindung mit der Kupferionen-Quelle einen wesentlichen Einfluss auf den Verlauf und das Ergebnis der Reaktion. Zudem erhöhen sie die Löslichkeit des Kupfer(I)-Katalysators und schützen ihn vor Oxidation und Disproportionierung. Als Liganden wurden N,N’-Dimethylethylendiamin (dmen) und Tris-(benzyltriazolylmethyl)amin (TBTA) verwendet.
↓390 |
Als Lösungsmittel kamen Dimethylformamid (DMF), Dimethylsulfoxid (DMSO), Tetrahydrofuran (THF) und Acetonitril (CH3CN) bzw. in Verbindung mit CuSO4 deren wässrige Mischungen zum Einsatz. Alle Reaktionen wurden unter anaeroben Bedingungen durchgeführt und die Reaktionsmischung vor Reaktionsbeginn entgast. Desweiteren wurden die Auswirkungen von Mikrowellenstrahlung und Ultraschall auf den Reaktionsverlauf untersucht.
Trotz dieser Einschränkungen auf die genannten Katalysatoren, Liganden, Lösungsmittel und sonstigen Reaktionsbedingungen, ergeben sich 108 durchführbare unterschiedliche Experimente. Nicht in diese Rechnung einbegriffen sind Referenzexperimente sowie konzentrationsabhängige Polymerisationen.
In Tabelle 8-1 sind die repräsentativen Ergebnisse der durchgeführten Experimente hinsichtlich Molgewicht und Polydispersität aufgelistet. Wie bereits angesprochen sind die Reaktionsbedingungen in vielerlei Punkten wie beispielsweise der Art der Kupferquelle, der Äquivalentmenge der Kupferionen, der Art und Menge des Reduktionsmittels, der Konzentration der Monomere, der Art und Zusammensetzung des Lösungsmittels usw. veränderbar, wobei schwer abzuschätzen ist, inwieweit sich die einzelnen Faktoren aufeinander auswirken. Daher wurden die Reaktionsbedingungen so gewählt, wie sie zu dem Zeitpunkt der Durchführung am plausibelsten schienen. Viele Reaktionen wurden parallel durchgeführt, so dass nicht immer auf den in der Tabelle 8-1 vorliegenden Erkenntnissen aufgebaut werden konnte. Ein systematisches Ermitteln der Abhängigkeit der Reaktionsparameter voneinander sowie deren Einfluss auf den Reaktionsverlauf inklusive der Durchführung von Referenzexperimenten war im zeitlichen Rahmen der Doktorarbeit nicht möglich (und auch nicht unbedingt nötig).
↓391 |
Tabelle 8-1: Reaktionsbedingungen der Polymerisation von 1 und 107 zu 105 inklusive per analytische GPC ermittelte mittlere Molmassen MW ([1] Monomer-Konzentration in mol/L; [2] GPC vor der als Größenausschlusschromatographie wirkenden Säulenchromatographie (SC); [3] nach der SC; [4] MW: mittlere massengewichtete Molmasse; [5] US: Ultraschall für 6 h; [6] MW: Mikrowellenbestrahlung 65 °C, 10 Min.; [7] Mikrowellenbestrahlung 55 °C, 50 Min., siehe Kapitel 8.3.3; [8] Mikrowellenbestrahlung 60 °C und 70 °C, 50 Min., siehe Kapitel 8.3.2).
Eintrag |
Reaktionsbedingungen |
GPC vor SC (2) |
GPC nach SC (3) |
||||||
Katalysator |
Ligand |
Lösungsmittel |
c (1) |
PDI |
M W (4) |
PDI |
M W |
||
A |
0.4 eq. CuSO 4 / Na Asc |
0.8 eq. dmen |
THF/H 2 O 8/4 |
1.0 |
2.8 |
20100 | |||
B |
0.2 eq. CuSO 4 / Na Asc |
0.4 eq. dmen |
THF/H 2 O 8/4 |
0.8 |
3.1 |
18500 |
1.6 |
26200 |
|
C |
0.2 eq. CuSO 4 / Na Asc |
0.4 eq. dmen |
THF/H 2 O 8/4 |
0.8 |
US (5) |
3.7 |
26700 |
1.7 |
37100 |
D |
0.1 eq. CuSO 4 / Na Asc |
0.2 eq. dmen |
THF/H 2 O 8/4 |
0.7 |
MW (6) |
3.4 |
21600 | ||
E |
0.2 eq. CuSO 4 / Na Asc |
0.5 eq. dmen |
THF/H 2 O 8/4 |
1.0 |
MW (6) |
3.24 |
21100 | ||
F |
0.2 eq. Cu(CH 3 CN) 4 PF 6 |
0.4 eq. dmen |
THF |
0.5 |
MW (7) |
6.1 |
47600 | ||
G |
0.2 eq. CuBr |
0.2 eq. TBTA |
DMF |
1.0 |
51.2 |
416100 |
5.6 |
621800 |
|
H |
0.4 eq. CuBr |
0.4 eq. TBTA |
DMF |
0.9 |
4.9 |
35800 | |||
I |
0.4 eq. CuBr |
0.4 eq. TBTA |
DMF |
0.5 |
MW (8) |
3.3 |
14900 |
1.4 |
32500 |
Alle Polymerisationsreaktionen wurden bei möglichst hohen Konzentrationen durchgeführt, da sich dies als ein wesentlicher Faktor für ein hohes Molgewicht herausgestellt hatte. Mit fortschreitender Polymerisations-Reaktion war eine starke Zunahme der Viskosität zu verzeichnen, die ab einem gewissen Punkt das durchmischende Rühren der Reaktionsmischung unmöglich machte. Ausgeprägt war diese Viskositätszunahme vor allem bei den Versuchen in den wässrigen Medien mit CuSO4 und Natriumascorbat. Hier wirkte sich der Anteil Wasser, der hinzugegeben werden musste, um das Katalysatorsystem zu lösen, löslichkeitsverringernd auf das Polymer aus. Durch Verdünnen der Reaktionslösung konnten die meisten Bestandteile zwar wieder gelöst werden, jedoch wirken sich geringere Reaktionskonzentrationen negativ auf den Polymerisationsverlauf aus. Nicht kombiniert wurden CuSO4 und Natriumascorbat mit TBTA, da letzteres in den wässrigen Systemen nicht in hohen Konzentrationen löslich ist.
Die Kupferionen der Reaktionslösungen der Polymerisationen wurden durch Ausfällen der Polymere in wässriger EDTA-Lösung oder/und Waschen mit dieser entfernt. Für die weitere Aufarbeitung zeigte sich, dass polare Verunreinigungen sowie niedermolekulare Bestandteile durch eine kurze Silicagel-Säulenchromatographie entfernt werden konnten, wobei die Trennung vor allem im Sinne einer Größenausschlusschromatographie erfolgte. Dadurch konnte in der Regel das mittlere Molgewicht der abgetrennten Polymere erhöht und die Polydispersität stark verringert werden. Einhergehend hatte dies allerdings meist einen starken Verlust der isolierten hochmolekularen Polymermasse zur Folge.
↓392 |
Ein Vergleich der in Tabelle 8-1 aufgeführten Ergebnisse ist zum Teil nur eingeschränkt möglich, da meist mehr als ein Reaktionsparameter verändert wurde. Die wichtigsten Trends sollen folgend diskutiert werden. Bei den Polymerisationsreaktionen mit CuSO4 und Natriumascorbat mit zugesetztem dmen-Liganden in wässrigen Systemen (Tabelle 8-1, Ansätze A - E) scheint die Äquivalent-Menge an CuSO4 sowie die Einwirkung von Mikrowellenstrahlung oder Ultraschall kaum einen Einfluss auf das Molgewicht und die Polydispersität zu haben. Im Schnitt wurden hier Polymermolmassen etwas über 20.000 g/mol erhalten. Dies entspricht im Schnitt etwa 30 erfolgten Klick-Additionsreaktionen. Gute Ergebnisse konnten bei der Reaktionsführung in THF unter Verwendung des Kupfer(I)-Komplexes Cu(CH3CN)4PF6 in Verbindung mit dem Liganden dmen erzielt werden (Ansatz F). Diese Reaktion lief stark exotherm ab und lieferte unter Mikrowellenbestrahlung (40 W) ein hochmolekulares Polymer mit einer Molmasse von 47600 g/mol (entsprechend etwa 65 Klick-Additionsreaktionen). Die Polydispersität von 6.1 könnte sicherlich noch mit einer als Größenausschlusssäulenchromatographie wirkenden Silicagel-Säule verringert werden (siehe 8.3.3).
Die Ergebnisse der Polymerisation mit CuBr und TBTA fallen sehr unterschiedlich aus (Ansätze G - I). Die Durchführung der Klick-Polymerisation im Mikrowellenreaktor bei 65 °C bei einer Bestrahlungsdauer von 50 Minuten lieferte ein Polymer von nur geringem Molgewicht (MW = 14.9 · 103 g/mol). Die gleiche Reaktion unter “normalen Bedingungen“ bei Raumtemperatur durchgeführt lieferte nach 2 Tagen ein höhermolekulares Polymer mit MW = 35.8 · 103 g/mol. Ein von allen anderen Versuchen herausragendes Ergebnis wurde mit 0.2 Äquivalenten CuBr und TBTA erzielt: nach einer Woche Rühren bei Raumtemperatur wurde ein Polymer mit einem mittleren Molgewicht von 4.16 · 105 g/mol erhalten, das jedoch eine Polydispersität von 51.2 hatte. Diese konnte mit einer präparativen Größenausschlusssäulenchromatographie auf 5.6 verringert und das mittlere Molgewicht MW auf 6.22 · 105 g/mol erhöht werden (siehe Kapitel 8.3.1).
Die Molmassen der Polymere wurden mit analytischer Gelpermeations-Chromatographie (GPC) ermittelt. Bei dieser analytischen Molmassenbestimmung können jedoch, bedingt durch die Polymerstruktur, die ermittelten Molmassen zum Teil erheblich von der tatsächlichen Molmasse abweichen. Dies soll folgend erläutert werden.
↓393 |
Mit der GPC wird die Retentionszeit der Polymerprobe auf der Säule ermittelt und dann automatisch einer Molmasse zugewiesen. Dies ist möglich durch zuvorige Kalibrierung der GPC mit verschiedenen engverteilten Polystyrol-Standards, wobei jeder Retentionszeit auf der GPC-Säule die Molmasse des entsprechenden Polystyrol-Standards zugewiesen wird. Die Verweilzeit (= Rückhaltezeit) auf der GPC-Säule und damit die Zuordnung der Polymermolmasse hängt primär davon ab, wie gut sich die Polymerstränge in die Poren der GPC-Säule einfügen und dadurch auf der Säule verweilen. Je geringer die Retentionszeit ist, desto größer wird –basierend auf der Kalibrierung mit dem Polystyrol-Standard– das Molgewicht kalkuliert (und vice versa). Polymere, deren Struktur und Rigidität ähnlich dem des Polystyrols sind, lassen eine recht genaue Molgewichtsbestimmung zu. Die hier vorgestellten Klick-Polymere haben aber eine vollkommen andere Struktur als der Polystyrol-Standard und zudem nehmen sie unter den Messbedingungen wahrscheinlich eine kompakte helikale Konformation in Lösung ein (Kapitel 8.3.5), während das Polystyrol als ungeordnetes Knäuel vorliegt. Dadurch ist die tatsächliche Polymerlänge gegenüber der entfalteten Konformation verkürzt und das hydrodynamische Volumen kleiner. Es kann daher davon ausgegangen werden, dass das tatsächliche Polymergewicht weitaus größer ist als mit Hilfe der analytischen GPC ermittelt wurde. Diese Annahme wird auch dadurch untermauert, dass beispielsweise das Molgewicht Mn des Oligomers 110 mit Hilfe der GPC um einen Faktor von 1.6 zu niedrig bestimmt wurde.
Bei den hier vorgestellten Polymerisationen ist zu beachten, dass zwei Punkte konträr zueinander wirken und die Bildung von noch höhermolekularem Polymer verhindern: zum einen hat sich herausgestellt, dass eine hohe (Anfangs)-Konzentration der Monomere für die Gewinnung von möglichst hochmolekularem Polymer vorliegen sollte. Zum anderen nimmt aber die Viskosität des Reaktionsansatzes mit fortschreitender Reaktion so stark zu, dass anzunehmen ist, dass ein Fortlaufen der Polymerisationsreaktion nicht mehr möglich ist. Es kommt also zwangsweise zur Verlangsamung bzw. zum Stillstand der Polymerisation, dadurch dass die Monomerbausteine bzw. Oligomerstränge nicht mehr (effizient) zu den reaktiven Termini der Polymerketten diffundieren können. Die Polymerisation kann erst dann weiterlaufen, wenn die Reaktionslösung verdünnt wird (für ein erneutes Anspringen der Polymerisationsreaktion spricht die erneute Zunahme der Viskosität). Es ist schwer abzuschätzen, inwieweit sich dieser Sachverhalt (negativ) auf den Reaktionsverlauf und damit die Molmasse der Polymere bzw. deren Polydispersität auswirkt.
Folgend werden drei signifikante Polymerisationsversuche eingehender diskutiert.
↓394 |
Das Resultat des Versuchs G sticht vor allem durch sein sehr hohes Molgewicht von über 6.2 · 105 g/mol hervor. Hier wurden beide Monomere 1 und 107 in einer Konzentration von je 1.0 mol/L in DMF vorgelegt, Kupferdraht hinzugefügt und zu der entgasten Lösung CuBr und TBTA hinzugegeben. Die Reaktionsmischung wurde 7 Tage bei Raumtemperatur in Dunkelheit unter Schutzgasatmosphäre gerührt.
Abbildung 8–3: Polymerisationsreaktion zu 105 mit CuBr und TBTA in DMF bei Raumtemperatur. | ||
Für die Aufarbeitung wurde der Reaktionsansatz mit Aceton verdünnt und in wässrige EDTA-Lösung getropft, um die Kupferionen abzutrennen. Es bildete sich ein gelber Niederschlag, der abzentrifugiert wurde. Nach Trocknen im Vakuum wurden 474 mg (71% Massenausbeute) eines gelben Wachses erhalten. Dessen GPC-Spektrum (Abbildung 8–4) zeigt ein hohes Gewichtsmittel der Molmasse von 4.2 · 105 g/mol aber auch eine äußerst breite Molmassenverteilung (Polydispersität, PDI) von über 51 an. Die beiden scharfen Signale bei ca. 1 · 103 g/mol und 3 · 103 g/mol sind wahrscheinlich auf gebildete Makrocyclen zurückzuführen.
↓395 |
Für die weitere Aufarbeitung wurde eine Säulenchromatographie durchgeführt, um Reste von polaren Verunreinigungen zu entfernen, vor allem aber um im Sinne einer Größenausschlusschromatographie die niedermolekularen Bestandteile von den höhermolekularen abzutrennen. Hierzu wurde das Rohprodukt auf eine Kieselgelsäule aufgetragen und mit Dichlormethan eluiert. Die Polarität des Lösungsmittels wurde sukzessive durch Zugabe von Methanol erhöht. Die erhaltenen Fraktionen wurden anschließend erneut mit der analytischen GPC in DMF analysiert.
Die Abbildung 8–5 zeigt das GPC-Spektrum der Fraktion, die durch Eluieren mit reinem Dichlormethan erhalten wurden. Die Polydispersität konnte auf 5.6 gesenkt und dadurch das Gewichtsmittel auf 6.2 · 105 g/mol erhöht werden. Allerdings wurde die Massenausbeute durch diesen Schritt der Aufarbeitung auf 16% (78 mg) gesenkt. In den späteren Fraktionen mit höherem Methanolanteil wurden die niedermolekularen Bestanteile eluiert (wie vermutlich die Ringschlussprodukte).
↓396 |
Das ähnliche Reaktionsprotokoll wie es unter Kapitel 8.3.1 beschrieben ist, um hochmolekulare Polymere des Rückgrats 105 mit akzeptabler Polydispersität zu synthetisieren, wurde unter der Einwirkung von Mikrowellenbestrahlung wiederholt (Ansatz I). Aufgrund der starken Wechselwirkung von elementarem Kupfer mit Mikrowellenstrahlen wurden keine Kupferspäne zugesetzt.
Abbildung 8–6: Polymerisationsreaktion unter Mikrowellenbestrahlung (MW) mit 30 Watt gefolgt von 50 Watt. | ||
↓397 |
Zunächst wurde für 20 Minuten unter Mikrowellenbestrahlung gerührt. Als Mikrowellenprotokoll wurden folgende Parameter gewählt: die gerührte Reaktionsmischung wurde unter Luftstrom-Kühlung bei einer Temperatur von 60 °C für 20 Minuten unter Mikrowellenstrahlung mit einer durchschnittlichen Leistung von 30 Watt bestrahlt. Da die ionische Lösung die Mikrowellenstrahlung stark absorbiert, konnte nicht mit einer höheren Wattleistung bestrahlt werden, um die vorgesehene Temperatur von 60 °C nicht zu überschreiten. Die Lösung hatte nach der Bestrahlungszeit eine braune Färbung angenommen, war aber noch nicht stark viskos. Auf den Erkenntnissen der vorher durchgeführten Polymerisationsreaktionen bezüglich des Zusammenhangs zwischen Viskosität und Polymerisationsgrad basierend, wurde daher folgend für 30 Minuten auf 70 °C erhitzt (vgl. Abbildung 8–7). Es wurde im Schnitt eine Leistung von 50 Watt erreicht. Die Mikrowellenreaktion wurde nicht bei höheren Temperaturen als 70 °C durchgeführt, um die Möglichkeit einer thermisch induzierten, gering regioselektiven Cycloaddition zu verhindern (Tang und Mitarbeiter polymerisieren kupferionenfrei bei 100°C mit einer für unsere Foldamere ungenügenden 1,4-Regioselektivität von ~92%[23]). Nach der Bestrahlung lag eine viskose, dunkelbraune Reaktionsmischung vor, die nach Verdünnen mit entgastem DMF für weitere zwei Tage bei Raumtemperatur gerührt wurde.
Abbildung 8–7: Reaktionsführung unter Mikrowellenbestrahlung bei 70 °C. | ||
Um die Reaktion aufzuarbeiten wurde die Reaktionsmischung mit Aceton verdünnt, das Polymer in wässriger EDTA-Lösung ausgefällt und der Niederschlag abfiltriert, erneut in Dichlormethan gelöst und mit wässriger EDTA-Lösung gewaschen. Nach Trocknen im Ölpumpenvakuum wurden 330 mg (32% Massenausbeute) eines braunen Wachses erhalten. Das GPC-Spektrum der Rohpolymerprobe ähnelt der des Reaktionsansatzes G und ist in Abbildung 8–8 links dargestellt.
↓398 |
Mit einer chromatographischen Kieselgelsäule im Sinne einer präparativen Größenausschlusschromatographie wurde mit Dichlormethan und steigendem Methanolanteil als Eluenten die Polymerprobe aufgetrennt. Die Polydispersität der mit Dichlormethan eluierten Fraktion konnte auf nur 1.4 gesenkt werden, während sich die mittlere Molmasse MW dieser Fraktion auf 3.4 · 104 g/mol verdoppelte (Abbildung 8–8, rechts). Dieses Ergebnis lässt sich durchaus mit dem Resultat von Yashima und Mitarbeitern vergleichen, die chirale Polymere mit einem Phenyl-alt-Triazol-Rückgrat mit einem mittleren Molgewicht von Mw = 4.3 104 g/mol und einer Polydispersität von 3.8 unter Mikrowellenbestrahlung bei 130 °C synthetisierten.[21] In den Fraktionen, die mit 2 Vol% Methanol und 5 Vol% Methanol eluiert wurden, ist das niedermolekulare Material (wahrscheinlich Ringschlussverbindungen) enthalten, während die Fraktionen mit 8 Vol% und 10 Vol% Methanol wieder fast nur polymeres Material enthalten (vgl. Abbildung 8–9).
↓399 |
Eine erstaunliche Beobachtung wurde bei der Verwendung von Cu(CH3CN)4PF6 und N,N’-Dimethylethylendiamin (dmen) als Katalysatorsystem gemacht. Hier stellte sich heraus, dass, nachdem die beiden Monomere und der Cu(I)-Katalysator vermischt worden sind, bei Zugabe des dmen-Liganden augenblicklich eine heftig ablaufende Reaktion einsetzt, die so exotherm ist, dass es zu einer Zersetzung der Reaktionskomponenten kommt (Schwarzfärbung unter starker Hitzeentwicklung). Diese heftig ablaufende Polymerisationsreaktion schien sehr vielversprechend für die Synthese von hochpolymerem Material, wenn sie kontrolliert abläuft. Die Zugabe des dmen-Liganden zu der auf 0 °C abgekühlten Reaktionslösung, gefolgt von einem langsamen Auftauen auf Raumtemperatur, lies die Reaktion kontrolliert ablaufen.
Abbildung 8–10: Poly-Klick-Reaktion mit CuBr und dmen bei 40 Watt Mikrowellenbestrahlung. | ||
Es folgte die Mikrowellenbestrahlung bei 55 °C Reaktionstemperatur für 50 Minuten. Die Aufarbeitung erfolgte wie in Abschnitt 8.3.2 beschrieben. Nach Trocknen im Ölpumpenvakuum wurden 323 mg eines gelb-braunen Wachses erhalten (95% Massenausbeute) mit einem mittleren Molgewicht Mw von 4.8 · 104 g/mol und einer Polydispersität von 6.1 (vgl. Abbildung 8–11). Diese kann mit einer als Größenausschlusschromatographie wirkenden Säulenchromatographie sicherlich noch verringert und das mittlere Molgewicht Mw erhöht werden. Wie in den anderen Polymerisationsansätzen auch sind bei ca. 2.2 · 104 g/mol und 4.3 · 104 g/mol die recht scharf definierten Molmassenpeaks der vermutlichen Makrocyclen zu beobachten.
↓400 |
Abbildung 8–11: GPC-Spektrum der Roh-Substanz der Poly-Klick-Reaktion F nach wässriger Aufreinigung (GPC-Meßbedingungen: DMF, 70 °C, Detektion über UV/vis-Absorption bei 300 nm). | ||
Die Polymerisation der beiden Monomere 140 und 107 zu dem Polymer 104 mit dem Phenyl-alt-Triazol-Rückgrat erfolgte in Anlehnung an die in Tabelle 8-1 aufgeführten Polymerisations-Reaktionsprotokolle. Verwendet wurde das Katalysatorsystem CuBr und TBTA in DMF (Ansatz G) sowie CuBr mit dem Aminliganden dmen in DMF (Abbildung 8–12). Nach spätestens 10 Stunden Reaktionszeit bei Raumtemperatur hatte in beiden Fällen die Viskosität der Reaktionslösung so stark zugenommen, dass ein weiteres durchmischendes Rühren nicht möglich war.
Abbildung 8–12: Die Poly-Klickreaktion der Monomere 140 und 107 führte zu der Bildung von gummiartigem, unlöslichem Polymer 104. | ||
↓401 |
Die Zugabe von einer Reihe verschiedener Lösungsmittel wie CH2Cl2, DMF, THF oder DMSO konnte die gummiartigen Gele nicht in Lösung bringen. Auch das Einwirken von Ultraschall sowie das Erwärmen der genannten Lösungsmittel-Gel-Gemische bis zum Refluxen führte nicht zum Auflösen des Gels. Der Versuch die im Gel gebundenen Kupferionen durch Behandeln wässriger EDTA-Lösung oder wässriger Natriumcyanid-Lösung herauszulösen und damit das Polymer in Lösung zu bringen, scheiterte. Auch das Einwirken von heißer wässriger HCl konnte das Gel nicht auflösen. Eine Vermessung sowie weitere Untersuchung des Polymers 104 mit sicherlich interessanten Eigenschaften konnte aufgrund der Unprozessierbarkeit nicht erfolgen.
Die Monomere 1 und 107 sowie 2 und 107 wurden mit dem Katalysatorsystem Cu(CH3CN)4PF6 und N,N’-Dimethylethylendiamin (dmen) ähnlich zu dem Klick-Polymerisationsprotokoll von Abschnitt 8.3.3, jedoch ohne Mikrowelleneinstrahlung, innerhalb von 4 Tagen zu den Polymeren 105 bzw. 111 mit dem Polymerrückgrat Phenyl-alt-Triazol-alt-Pyridin-alt-Triazol umgesetzt (Schema 8.3-1). Es folgte die Terminierung der Polymerenden durch definierte Tolyl-Endgruppen. Hierzu wurde dem Reaktionsansatz Tolylazid 21 im Überschuss zugefügt und in einer Eintopfreaktion zunächst die Acetylen-Funktionalitäten der Polymerenden in einer Klick-Reaktion terminiert. Nach Aufarbeitung und Entfernen von verbliebenem Tolylazid 21 wurden die Azidfunktionalitäten der Polymere durch Klick-Reaktion mit 4-Tolylacetylen 209 in unreaktive Triazolylaryltermini überführt. Anschließend wurden in der Aufarbeitung zunächst die Kupferionen durch Waschen der CH2Cl2-Polymerlösung mit wässriger EDTA-Lösung entfernt und das Polymer durch eine als Größenaufschlusschromatographie wirkende Silicagel-Säule von niedermolekularen Bestandteilen befreit. Die auf diese Weise gewonnen Polymere 104 und 111 besaßen ein mittleres Molgewicht von Mw = 1.6 · 103 - 5.3 · 103 und eine Polydispersität von 1.5 - 2.3 wie mit analytischer GPC (Eluent: THF) ermittelt wurde.
Schema 8.3-1: A2 + B2 Klick-Polymerisation gefolgt von der Terminierung der Polymerenden. | ||
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Das Faltungsverhalten des Polymers 111 wurde in Lösung mit Hilfe von UV/vis- und CD-Spektroskopie unter verschiedenen Bedingungen analysiert. Es zeigte sich ein im Vergleich zu dem Oligomer 147 (mit gleichem Rückgrat und Seitenkettenanbindung, Kapitel 6.4) in vielerlei Hinsicht konträres Faltungsverhalten.
Die UV/vis-Spektren des Polymers 111 in den Lösungsmitteln CH3CN, CH2Cl2 und CHCl3 besitzen eine intensive Bande bei 230 nm mit einer Schulter bei 310 nm, die dem π → π*-Übergang des heteroaromatischen Rückgrats zugeordnet werden kann (Abbildung 8–13, oben). Das intensive Absorptionsmaximum des Polymerrückgrats geht mit einem deutlich ausgeprägten Kurvenverlauf im CD-Spektrum einher, das eine negative Excitonenchiralität[24,25] mit einem Nulldurchgang bei 250 nm und ein negatives Signal bei 330 nm zeigt (Abbildung 8–13, unten). Im Gegensatz zu dem Oligomer 147 wird bereits in reinem Acetonitril ein ausgeprägtes CD-Signal erhalten, indikativ für die Population einer helikalen Konformation mit Überschuss einer Händigkeit als Folge des Chiralitätstransfers von der chiralen Seitenkette auf das Polymerrückgrat. Zudem besitzt der auftretende Cotton-Effekt (überraschenderweise) eine negative Excitonenchiralität, während bei dem Oligomer 147 in wässrigem Acetonitril ein positiver Cotton-Effekt zu beobachten ist. Bei dem Oligomer 147 musste die solvophobe Triebkraft durch Erhöhen des Wasseranteils in Acetonitril verstärkt werden, um eine ausgeprägte helikale Faltung beobachten zu können. Das Polymer 111 populiert die helikale Konformation nicht nur in reinem Acetonitril, sondern auch in unpolaren Lösungsmitteln wie CH2Cl2 und CHCl3 wie anhand des ausgeprägten Cotton-Effekts zu erkennen ist. Daher ist folgerichtig bei dem Polymer 111 nicht der solvophobe Effekt die entscheidende Triebkraft der helikalen Faltung – im Gegensatz zu der Gewichtung der in den Oligomeren 147, 149 und 110 wirkenden Kräfte. In dem Polymer 1 11 scheint die kompakte, helikale Konformation primär durch die in das Polymerrückgrat integrierten, präorganisierten BTP-Einheiten sowie den intramolekularen π,π -Wechselwirkungen der gestapelten aromatischen Ringe stabilisiert zu werden. Der Unterschied der helikalen Faltung der Oligomere und Polymere kann in der unterschiedlichen Länge der Stränge gesucht werden. Bedingt durch die größere Länge der Polymerketten gegenüber der Länge der Oligomere bestehend aus 17 aromatischen Ringen ist anzunehmen, dass sich beispielsweise die Vielzahl der einzelnen Terme der π,π -Wechselwirkungen der gestapelten Aromatenringe zu einer solch großen attraktiven Wechselwirkung addiert, dass der Verlust der Entropie weit überkompensiert wird und eine stabile helikale Konformation resultiert.
Abbildung 8–13: (a) UV/vis-Absorptionsspektren und (b) CD-Spektren des Polymers 111 in Acetonitril (schwarze Kurve), CHCl3 (rote Kurve), CH2Cl2 (blaue Kurve) und CHCl3 versetzt mit TFA (grüne Kurve). | ||
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Wie bereits angesprochen liegt in Chloroform eine helikale Konformation mit Überschuss eines Helixdrehsinns vor (Abbildung 8–13 b), rote Kurve). Der Zusatz von Trifluoressigsäure (TFA) zu der Chloroformlösung hat zur Folge, dass das ausgeprägte CD-Signal mit negativer Excitonenchiralität in eine (nahezu) Nullkurve übergeht (Abbildung 8–13 b), grüne Kurve). Dies spricht für die Zerstörung der helikalen Konformation durch die Protonierung mit der TFA. Hierbei stellen die BTP-Strukturen die responsiven Einheiten dar, die von der gebeugten Konformation in die gestreckte geschaltet werden und dadurch zum Aufbrechen der helikalen Konformation führen (vgl. Abbildung 8–14).
Ebenso spricht auch die hyperchrome Bandenverschiebung im UV/vis-Spektrum (rote Kurve: CHCl3, grüne Kurve: CHCl3 versetzt mit TFA) für die abnehmende intramolekulare Wechselwirkung der aromatischen Ringe, bedingt durch das Aufbrechen der helikalen Konformation.
Abbildung 8–14: Illustration des Aufbrechens der helikalen Konformation durch Protonierung der BTP-Einheiten. | ||
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In einem qualitativen Handversuch wurden zu der Acetonitril-Lösung des Polymers 111, das in Acetonitril in einer helikalen Konformation vorliegt wie anhand der CD-Spektren nachgewiesen wurde, (entgaste) Acetonitril-Lösungen diverser Übergangsmetallionen-Lösungen wie Zn2+, Fe2+ und Eu3+ hinzugesetzt. Aus vorherigen Arbeiten war bereits bekannt, dass BTP-Liganden sehr gut an diese Übergangsmetallionen koordinieren können unter Ausbildung von Metallkomplexen (siehe Kapitel 4.6).[26] Mit der Zugabe der Metallionen zu der Acetonitril-Polymerlösung nahm die Viskosität der Lösung augenblicklich sehr stark zu bis nach Sekunden schließlich ein zähes Gel vorlag. Dies ist in Abbildung 8–15 in den Fotos vor (a)) und nach (b)) Zugabe einer Eisen(II)triflat-Acetonitril-Lösung zu der Polymerlösung dargestellt.
Abbildung 8–15: (a) Acetonitril-Lösung des Polymers (b) viskoses Gel nach Zugabe der Fe(II)OTf2 –Acetonitril-Lösung. | ||
Erklärt werden kann die Bildung des hochviskosen Gels über die koordinative Kreuzverlinkung der Polymerketten durch die Metallionen, die zu der Bildung der supramolekularen Gelstruktur[27,28] führt (vgl. Abbildung 8–16). Analog zu der oben beschriebenen Protonierung hat die Koordination an Metallionen das Aufbrechen der helikalen Struktur zur Folge. Darüber hinaus führen die Metallionen zu der koordinativen Kreuzverlinkung der Polymerstränge wie in Abbildung 8–16 illustriert ist.
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Neben der Tatsache, dass mit BTP-Liganden bereits eine Vielzahl von BTP-Übergangsmetallkomplexen dargestellt werden konnten, wurde die Bildung der supramolekularen Metallionen-Polymer-Komplexe anhand von UV/vis-Spektren des Gels verifiziert. Während das reine Polymer 111 in Acetonitril oberhalb von 350 nm nicht absorbiert (Abbildung 8–15, gestrichelte Kurve), zeigt das Gel eine breite Bande bei 480 nm an (Abbildung 8–15, durchgezogene Kurve), charakteristisch für einen MLCT/LMCT-Übergang in den supramolekularen Eisenkomplexen.
Abbildung 8–17: UV/vis-Absorptionsspektren des Polymers 111 in Acetonitril (gestrichelte Kurve) und des Polymer-111-Fe(II)-Gels auf einer Quarz-Scheibe. | ||
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In diesem Teil der Arbeit wurde untersucht, inwieweit sich die Klick-Reaktion als Polymerisationstechnik eignet, um eine neue Klasse von responsiven Foldameren mit polymerem aromatischen Rückgrat darzustellen. Hierzu wurden das Diazidophenylen 107 mit den Diethynylarylen 1 40, 1 und 2 in einer A2 + B2-Polymerisation unter verschiedenen Reaktionsbedingungen miteinander umgesetzt. Anhand ausgesuchter Reaktionen wurden die Auswirkungen verschiedener Reaktionsparameter wie der Einfluss des Kupferkatalysators und dessen Menge, des Liganden, des Lösungsmittels sowie von Mikrowellenstrahlung und Ultraschall auf die mittlere Molmasse und die Molmassen-Verteilung ermittelt.
Es zeigte sich, dass für hohe Molmassen möglichst hohe Konzentrationen der Monomere in der Reaktionslösung vorliegen sollten. Bei allen Polymerisationen war eine starke Zunahme der Viskosität der Reaktionslösung mit fortschreitender Polymerisationsreaktion zu beobachten, die soweit anstieg, dass der Reaktionsansatz nicht mehr durchmischt werden konnte und das effiziente Ablaufen der Polymerisationsreaktion nicht mehr gegeben war. Insbesondere in wässrigen Systemen mit CuSO4 und Natriumascorbat war die Gelbildung stark ausgeprägt und erklärt das eher mäßige mittlere Molgewicht MW im Bereich von knapp über 20.000 g/mol. Die Reaktionsführung unter Mikrowellenbestrahlung oder Ultraschall führte zu keiner (ausgeprägten) Erhöhung der Molmasse.
Die Untersuchung zeigt, dass nicht-wässrige Reaktionsbedingungen unter Verwendung von Kupfer(I)-Quellen in Verbindung mit den Liganden TBTA oder dmen am besten geeignet sind, um höhermolekulare Phenyl-alt-Triazol-alt-Pyridin-alt-Triazol-Polymere mit Molgewichten MW oberhalb von 3.5 · 104 g/mol zu generieren. Ein überdurchschnittlich hohes Molgewicht von 4.2 · 105 g/mol wurde bei der Polymerisation mit CuBr und TBTA in DMF erhalten. Generell eignet sich die Kieselgel-Säulenchromatographie im Sinne einer Quasi-Größenausschlusschromatographie um niedermolekulare Bestandteile wie u. a. gebildete Makrocyclen abzutrennen. In letzterem Fall konnte die äußerst breite Molmassenverteilung von PDI = 51 auf PDI = 5.6 verringert und das mittlere Molgewicht MW von 4.2 · 105 g/mol auf 6.2 · 105 g/mol erhöht werden. In einem linearen Strang entspricht dies 570 Klick-Additionsreaktionen des Monomers 1 mit 107.
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Die Polymerisation zu dem Polymer 104 mit dem Phenyl-alt-Triazol-Rückgrat führte zu der Bildung eines gummiartigen Gels, das vollkommen unlöslich ist und nicht untersucht werden konnte.
Das an den Polymerenden mit Tolylazid und Tolylacetylen terminierte Polymer 111 zeigt ein unabhängig von der Polarität des Mediums helikales Faltungsverhalten in CH3CN, CH2Cl2 und CHCl3 wie anhand des ausgeprägten CD-Signals mit negativer Excitonenchiralität zu erkennen ist. Der solvophobe Effekt scheint als Triebkraft der helikalen Faltung den anderen attraktiv wirkenden Wechselwirkungen untergeordnet zu sein. Die helikale Konformation wird vor allem von den in das Polymerrückgrat integrierten BTP-Elementen sowie den intramolekularen π,π –Wechselwirkungen stabilisiert. Über die integrierten BTP-Einheiten sind die Foldamerstränge responsiv gegenüber dem pH-Wert und Metallionen. Durch das Einwirken von TFA kommt es zur Entfaltung der helikalen Konformation wie mit Hilfe der CD-Spektroskopie nachgewiesen wurde. Die Zugabe von Metallionen wie Zn2+, Fe2+ oder Eu3+ führt zu einer augenblicklichen Gelbildung. Dessen Auftreten ist mit der Koordination der BTP-Einheiten des Polymers an die Metallionen zu erklären, die die Polymerstränge koordinativ kreuzvernetzen und die Bildung des supramolekularen Gels zur Folge haben. Für die koordinative Kreuzvernetzung über die Metallionen spricht ebenfalls die MLCT/LMCT-Bande im UV/vis-Spektrum des Gels. Diese die Polymerstränge verbrückenden Metallkomplexe könnten interessante Eigenschaften als gelartige magnetische (mit Fe-Ionen) oder lumineszierende Materialien (mit Eu-Ionen) haben.
Teile dieser Arbeit wurden veröffentlicht in “Macromolecular Rapid Communications“.[29]
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In weiterführenden Arbeiten soll die helikale Faltung in Abhängigkeit von dem Lösungsmittel und der Temperatur im Detail untersucht und ermittelt werden, unter welchen Bedingungen es zur Entfaltung kommt. Von besonderem Interesse wäre die Untersuchung des Entfaltungsprozesses in einem Titrationsexperiment (pH-Wert und Metallionen) mit der Isothermen Titrationskalorimetrie (ITC).
Wie in Kapitel 6.3 beschrieben, wurde mit Hilfe der von Herges und Mitarbeitern entwickelten sogenannten AICD (anisotropic induced current density)-Methode anhand der Modelverbindung 15 5 berechnet, dass es sich bei den hier vorgestellten Polymerrückgraten um konjugierte Systeme handelt. In diesem Zusammenhang wird derzeit die Eignung der Polymere als Materialien für OLEDs und organische Photovoltaiksysteme untersucht.
General Methods. All reagents were purchased from commercial suppliers and used without purification. Solvents were distilled prior to use. The chiral side chain (2S)-4,7,10,13-tetraoxatetradecan-2-ol,[30] 1-azido-4-toluene,[26] and Fe[(OTf)2(CH3CN)2][31] were prepared as described. The Cu-catalyzed cycloaddition reactions were performed in the dark under argon atmosphere. Either solid CuBr, Cu(CN)4PF6 or concentrated aqueous CuSO4 stock solutions (10 mg CuSO4/0.1 mL H2O) were used as Cu-sources. An aqueous EDTA-disodiumsalt solution (16 g Na2-EDTA/L), adjusted to a pH ~ 8-9 with NaOH, was used to remove Cu-ions in aqueous extraction steps.
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Microwave-assisted poly-click reactions were performed in a CEM-Discover monomode microwave reactor having a continuous microwave power delivery system from 0 to 300 W. The reactions were carried out in 10-mL sealed glass vials. The temperature was monitored by an IR sensor on the outer surface of the reaction vessel.
Column chromatography was carried out with 130-400 mesh silica gel using the eluents specified.
NMR spectra were recorded on a 300 MHz Bruker Avance II spectrometer at 23 °C using residual protonated solvent signals as internal standard (1H: δ(CHCl3) = 7.26 ppm). Assignments are based on chemical shifts (Ar is used as abbreviation for assigning both aromatic as well as triazole moieties).
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GPC measurements were performed on a WGE Dr. Bures system equipped with three 300 x 8 mm SDV columns (50 Å 5 μ PSS, 500 Å 5 μ PSS, 1000 Å 5 μ PSS) and one 50 x 8 mm SDV column using both UV (300 nm) and RI detection. The measurements were performed in THF at 30 °C and in DMF at 70 °C in a TAU 2010 column oven using a flow rate of 1 mL/min. The columns were calibrated with several narrow polydispersity polystyrene samples and 2,4-Di-tert-butyl-4-methoxy-phenol was added as internal standard to the samples.
Spectroscopy. UV-visible absorption and CD spectra were recorded in quartz cuvettes of 1 cm path length or on quartz slides on a Cary 50 Spectrophotometer and a JASCO J-710 spectropolarimeter, respectively, each equipped with a Peltier thermostated cell holder at 25 ± 0.05 °C using spectrophotometric grade solvents. GPC measurements were performed on a WGE Dr. Bures system equipped with three 300 x 8 mm SDV columns (50 Å 5 μ PSS, 500 Å 5 μ PSS, 1000 Å 5 μ PSS) and one 50 x 8 mm SDV column using both UV (300 nm) and RI detection. The measurements were performed in THF at 30 oC using a flow rate of 1 mL/min. PSS Win GPC 7.2.1 was used as software. The columns were calibrated with several narrow polydispersity polystyrene samples. For the gelation experiments employing Fe[(OTf)2(CH3CN)2] degassed acetonitrile solutions have been used.
Synthesis of the monomers
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The synthesis of the monomers 1, 2, 107 and 140 has been described in detail in chapter 4.9.2 and chapter 6.6.4.
In the following are described four polymerization protocols. The remaining polymerization listed in “Tabelle 81” have been performed in close analogy (applying the reaction conditions listed in “Tabelle 81”).
Polymerization to polymers with capped termini
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In a two-necked flask equipped with an argon inlet the 2,6-diethynylpyridine monomer 1 and 2, respectively, (1 equiv.) and the 3,5-diazidobenzoate monomer 107 (1 equiv.) were dissolved in CH3CN (0.6 mol/L) and the solution was degassed for 10 min by bubbling argon through the solution. Cu turnings (0.5 equiv.) and Cu(CH3CN)4PF6 (0.2 equiv.) were added, the mixture cooled down to 0 °C in an ice-water bath and N,N´-dimethylethylenediamine (0.4 equiv.) was added to the stirred solution in the counterflow of argon, whereupon the solution turned dark. The mixture was allowed to warm to rt and stirred under argon in the dark by wrapping the flask into aluminium foil. To assure for constant stirring, additional CH3CN was added to the mixture in cases where too viscous polymerization solutions were formed. After stirring for 4 d the solution was diluted with CH3CN and remaining alkyne termini on the polymer chain were capped by addition of 1-azido-4-toluene (2 equiv.), Cu(CH3CN)4PF6 (0.1 equiv.) and N,N´-dimethylethylenediamine (0.2 equiv.) were added and the mixture stirred over night. The reaction was diluted with CH2Cl2, transferred into a separation funnel, and washed with aqueous Na2-EDTA solution (3x), brine (1x), and dried over MgSO4. The solvent was removed in vacuum and after drying the residue (oil pump vacuum) for 3 h, the residue was dissolved in a small amount of CH2Cl2 and the resulting concentrated polymer solution slowly added into a stirred solution of diethyl ether, whereupon a beige precipitate formed. The precipitate was filtered off, washed with diethyl ether, and after drying dissolved in a mixture of CH3CN/H2O = 7/3 and degassed. An aqueous stock solution of CuSO4 and solid sodium ascorbate (0.5 equiv.) were added. 4-Ethynyltoluene (4 equiv.) was added and the mixture was stirred at rt for 12 h in the dark. Again, the crude polymer was washed with aqueous Na2-EDTA solution (3x), brine (1x), and dried over MgSO4. The solvent was removed in vacuum and after drying the residue (oil pump vacuum) for 3 h, the crude polymer was purified by precipitation in diethyl ether. Filtration through a short silica gel plug using CH2Cl2 (or gradients of CH2Cl2 → CH2Cl2 + 25% MeOH) as the eluent gave the polymers as viscous brown oils.
Polymer characterization. 1H NMR (CDCl3): δ = 10.0-9.0 (br s, Ar-H), 8.6-7.9 (br s, Ar-H), 7.2-6.8 (br s, Ar-H), 5.7-5.3 (br s, CHCH3), 5.3-4.9 (m, OCH 2), 4.6-3.0 (m, OCH 2, OCH 3), 2.5-2.2 (m, ArCH 3), 1.8-1.0 (m, CHCH 3). GPC (THF, 30 °C): Mw = 1.6∙103 – 5.3∙103 g/mol, PDI (Mw/Mn) = 1.5 – 2.3. UV/vis (CH3CN): λmax = 227 nm and shoulder at 310 nm.
Synthesis procedure with CuBr and TBTA in DMF (Polymerization G)
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189.5 mg (0.464 mmol, 1.0 equiv.) of 3,5-diazidobenzoate monomer 107 and 147.0 mg (0.464 mmol, 1.0 equiv.) of the 2,6-diethynylpyridine monomer 1 were dissolved in 0.5 mL of DMF, small pieces of copper wire (20 mg) and 49.0 mg (0.093 mmol, 0.2 equiv.) of TBTA were added. Afterwards, the reaction mixture was degassed by bubbling argon through the solution for 5 minutes. After adding 13.0 mg (0.093 mmol, 0.2 equiv.) of CuBr the mixture turned red. The mixture was stirred for 7 days under argon atmosphere in the dark at rt whereupon it became brown and highly viscous. To assure for constant stirring, small amounts of degassed DMF (approx. 0.2 mL) were added to allow stirring. For work up the crude mixture was diluted with 5 mL DMF, 5 mL water and 10 mL acetone and added dropwise to 75 mL of an aq. EDTA solution (16 g EDTA on 1000 mL water, pH adjusted to 8-9). The solution turned green and a cloudy precipitate appeared. The precipitate was collected by centrifugation and dried in oil pump vacuum to yield 474.1 mg of a yellow resin. Column chromatography (silica gel) with CH2Cl2 and increasing amounts of methanol (up to 15 vol%) as eluent yielded 3 fractions of a yellow resin: 0% MeOH: 77.8 mg [GPC (DMF, 70 °C): Mn = 1.1∙105 g/mol, Mw = 6.2∙105 g/mol, PDI (Mw/Mn) = 5.6 ], 5% MeOH: 161.7 mg [GPC (DMF, 70 °C): Mn = 5.1∙103 g/mol, Mw = 5.5∙104 g/mol, PDI (Mw/Mn) = 1.1 ], 15% MeOH: 78.6 mg [GPC (DMF, 70 °C): Mn = 1.4∙104 g/mol, Mw = 1.1∙105 g/mol, PDI (Mw/Mn) = 7.9 ]. GPC-spectra see chapter 8.3.1.
Synthesis procedure with CuBr and TBTA in DMF under microwave irradiation (Polymerization I)
172.8 mg (0.423 mmol, 1.0 equiv.) of 3,5-diazidobenzoate monomer 107 and 134.0 mg (0.423 mmol, 1.0 equiv.) of 2,6-diethynylpyridine monomer 1 were dissolved in 0.8 mL of DMF and the reaction mixture was degassed by bubbling argon through the solution for 5 minutes. 24.0 mg (0.169 mmol, 0.4 equiv.) of CuBr were added and the mixture was degassed again for 1 minute. The mixture was irradiated in the microwave reactor (max. 300 W, 60 °C) for 20 minutes and further 30 minutes at 70 °C whereupon the mixture turned brown and became highly viscous. After addition of 0.5 mL DMF the mixture was stirred for 2 days in the dark. For work up 5 mL of acetone were added to the gel and this solution was added dropwise to 75 mL of an aq. Na2-EDTA solution yielding a green solution with brown cloudy precipitate. The precipitate was filtered off, dissolved in CH2Cl2 and washed with aq. Na2-EDTA solution (2x) and with sat. aq. NaCl solution (2x). After drying the organic layer over MgSO4 the solvent removed under reduced pressure yielding 330 mg (32% yield per mass) of a brown resin. Column chromatography (silica gel) with CH2Cl2 and increasing amounts of methanol (up to 10 vol%) as eluent yielded several fractions of a brown resin: 0% MeOH: 59.4 mg [GPC (DMF, 70 °C): Mn = 2.4∙104 g/mol, Mw = 3.4∙104 g/mol, PDI (Mw/Mn) = 1.4 ]; 2% MeOH: 275.8 mg [GPC (DMF, 70 °C): Mn = 3.2∙103 g/mol, Mw = 6.6∙103 g/mol, PDI (Mw/Mn) = 2.1 ]; 5% MeOH: 29.8 mg [GPC (DMF, 70 °C): Mn = 1.2∙104 g/mol, Mw = 2.6∙104 g/mol, PDI (Mw/Mn) = 2.2 ]; 8% MeOH: 5.9 mg [GPC (DMF, 70 °C): Mn = 1.3∙104 g/mol, Mw = 3.1∙104 g/mol, PDI (Mw/Mn) = 2.3 ]; 10% MeOH: 9.5 mg [GPC (DMF, 70 °C): Mn = 9.4∙103 g/mol, Mw = 2.7∙104 g/mol, PDI (Mw/Mn) = 2.8 ]. GPC-spectra see chapter 8.3.2.
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Synthesis procedure with Cu(CH 3 CN) 4 PF 6 and dmen in THF under microwave irradiation (Polymerization F)
173.5 mg (0.424 mmol, 1.0 equiv.) of 3,5-diazidobenzoate monomer 107 and 135.0 mg (0.424 mmol, 1.0 equiv.) of 2,6-diethynylpyridine monomer 1 were dissolved in 0.8 mL of THF, the reaction mixture was cooled down to 0 °C and degassed by bubbling argon through the solution for 5 minutes. 0.032 mg (0.085, 0.2 equiv.) of solid Cu(CH3CN)4PF6 and afterwards 0.018 mL (0.170 mmol, 0.4 equiv.) of N,N'-Dimethylethylendiamin (dmen) were added whereupon the mixture turned dark. The mixture was irradiated in the microwave reactor (max. 300 W, 55 °C) for 50 minutes whereupon the mixture turned brown and became highly viscous. To allow further stirring 3 mL of degassed THF were added and the mixture was stirred overnight. For work up the mixture was diluted with 10 mL of DMF and added dropwise to 75 mL of an EDTA solution. The aqueous phase was extracted with CH2Cl2 (25 mL, 5x) and the combined organic phases were washed with EDTA (25 mL, 2x) and with sat. aq. NaCl solution (2x). After drying over MgSO4 the solvent was removed under reduced pressure yielding 323 mg (95% yield per mass) of a yellow-brown resin. GPC (DMF, 70 °C): Mn = 7.8∙103 g/mol, Mw = 4.8∙104 g/mol, PDI (Mw/Mn) = 6.1 . GPC-spectra see chapter 8.3.3.
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DiML DTD Version 4.0 | Zertifizierter Dokumentenserver der Humboldt-Universität zu Berlin | HTML-Version erstellt am: 06.11.2014 |