Muschelinspirierte Polymerisation

Abstract

Verschiedene marine Lebewesen, wie zum Beispiel Muscheln, zeigen beeindruckende Unterwasserklebefähigkeiten. Vor allem L-3,4-Dihydroxyphenylalanin (Dopa), ein sehr häufig vorkommendes Aminosäurederivat in den Proteinen des Muschelklebesystems, wirkt sich positiv auf die Adhäsions- und Kohäsionsfähigkeit der Muschel aus. Im Rahmen dieser Arbeit dient die Bildung von Cysteinyldopa, welches als biogene Verknüpfung in Proteinen vorkommt, als Inspiration für die Entwicklung eines chemischen Ansatzes zur Synthese muschelmimetischer Klebstoffe. In einem AA+BB-Polyadditionsansatz (muschelinspirierte Polymerisation, MIPoly) werden Dichinone und Dithiole als Monomere eingesetzt. Hierfür werden die Dichinone ausgehend von der chemisch vielfältigen Familie der Bisphenol-Monomere durch Oxidation mit 2-Iodoxybenzoesäure synthetisiert. Die Dichinone und die Dithiole reagieren bei Raumtemperatur in einer Michael-artigen Polyaddition, wodurch Polymeren erhalten werden, die adhäsive Thiol-Catechol-Verknüpfungen (thiol-catechol-connectivities, TCCs) in ihrem Rückgrat aufweisen. Die detaillierte Untersuchung des MIPoly-Prozesses, der gebildeten TCC-Polymere sowie niedermolekularer Modellreaktionen ermöglicht den Nachweis der TCC-Bildung und bestätigte den Michael-artigen-Polyadditionsmechanismus. Dieses chemische MIPoly ist eine robuste Reaktion, die eine einfache Skalierbarkeit verspricht und einen modularen Ansatz für maßgeschneiderte Klebstoffe bietet. Der generische Charakter der untersuchten MIPoly wird durch die Synthese einer TCC-Polymermatrix nachgewiesen. In Klebetests zeigen die synthetisierten TCC-Polymere Hafteigenschaften auf Aluminium und Polypropylen. Darüber hinaus können ausgewählte TCC-Polymere als Unterwasserklebstoffe unter Meerwassermodellbedingungen verwendet werden.

Different marine organisms, such as mussels, provide impressive under water gluing capabilities. Mainly L-3,4-dihydroxyphenylalanin (Dopa), which is a highly abundant amino acid derivative in the proteins of the mussel gluing system, was found to have a positive effect on the adhesion and cohesion ability of the mussel. Here, the formation of cysteinyldopa as biogenic connectivity in proteins is used to inspire a chemical pathway toward mussel-adhesive mimics. In an AA+BB polyaddition approach (Mussel-inspired polymerization, MIPoly) bisquinones and dithiols are used as monomers. The bisquinones are synthesized from the chemically diverse family of bisphenol monomers by oxidation with 2-iodoxybenzoic acid. The bisquinones and the dithiols react at room temperature in Michel-type polyaddition, leading to polymers with adhesive thiol-catechol-connectivities (TCCs) in their backbone. The detailed investigation of the MIPoly process, the formed TCC-polymers as well as low molecular model reactions enable the verification of the TCC-formation and confirm the Michael-type polyaddition mechanism. This chemical MIPoly is a robust reaction that promises ease of scale up and provides a modular approach to tailor adhesives. The generic character of the investigated MIPoly process is shown by synthesizing a TCC-polymer matrix. In adhesive tests, the synthesized TCC-polymers show adhesive properties on aluminum and poly(propylene). Furthermore, selected TCC-polymers can be used as underwater adhesives in seawater modeling aqueous environments.