Supramolekulare Strukturierung

Anisotrope Strukturierung von Polymeren mittels supramolekularer Wechselwirkungen

Wasserstoffbrücken-bildende Bausteine als Kernmotiv

Um supramolekulare Äquivalente der kovalenten Polymerbürsten zu erzeugen benötigt es starke gerichtete Wechselwirkungen, wie z.B. Wasserstoffbrückenbindungen. Jedoch reichen einzelne Gruppen hierfür nicht aus und es bedarf einer synergistischen Kombination mehrerer paralleler Einheiten, beispielsweise Amid oder Harnstoffgruppen, um eine ausreichende Bindungsstärke zu realisieren, die dem sterischen Anspruch der Polymerketten entgegenwirkt. Das zentrale Motiv unserer supramolekularen Bausteine besteht aus einem symmetrischen Kern (Benzol oder Cyclohexan), welcher in 1,3,5-Position mit verschiedenen Wasserstoffbrücken-bildenden Gruppen (z.B. Amiden, Harnstoffen oder kurzen Peptiden) substituiert ist. Die große Variabilität in der Anzahl der Wasserstoffbrücken erlaubt, die Stärke der Wechselwirkung einzustellen und so die Aggregation zu beeinflussen. Hydrophobe Segmente, meist Alkylketten, ermöglichen zudem eine Assemblierung in Wasser, da sie die Wasserstoffbrücken von umgebenden Wassermolekülen abschirmen. Mit Anbindung von Polymerketten können so schlussendlich supramolekulare Polymerbürsten in Lösung generiert werden.

Aufbau supramolekularer Polymerbürsten (Abbildung: Johannes C. Brendel)

Dynamik und Kontrolle der Aggregation

Während bereits eine Reihe an Strukturen bekannt sind, die in der Lage sind supramolekulare Polymerbürsten zu bilden, ist eine Kontrolle der Aggregation bisher nur bedingt erreicht worden. Von zentraler Bedeutung ist hierbei die Dynamik in diesen Assemblierungen, d.h. wie schnell können einzelne Bausteine austauschen bzw. brechen und bilden sich neue Wasserstoffbrückenbindungen. Ein zentrales Ziel unserer Arbeiten ist es, detailliertere Zusammenhänge zwischen Struktur und Dynamik der supramolekularen Polymerbürsten herzustellen. Hierzu nutzen wir verschiedene Verfahren, wie z.B.  spektroskopische Methoden, um die Geschwindigkeit des Austauschs festzustellen. Auf Basis dieser Dynamikuntersuchungen sollten wir schlussendlich in der Lage sein, definierte Polymerbürsten mit kontrollierter Länge herzustellen.

FRET SPB (Abbildung: Johannes C. Brendel)

Aufbau multifunktionaler supramolekularer Polymerbürsten

Während die grundlegenden Untersuchungen an den Bausteinen mit vergleichbaren Polymeren (i.d.R. Polyethylenoxid, PEO) durchgeführt werden, können mit Hilfe kontrollierter Polymerisationstechniken eine Vielzahl an funktionellen Einheiten eingebaut werden. Beispielsweise können stimuli-reaktive Polymere genutzt werden, um die Aggregation in Abhängigkeit der Umgebung (z.B. dem pH-Wert) zu steuern. Darüber hinaus können mit Hilfe von selektiv eingebrachten reaktiven Gruppen auch zellspezifische Liganden oder reversibel gebundene Wirkstoffe eingebracht werden. Mit einem besseren Verständnis der Dynamik können schlussendlich verschieden funktionalisierte Bausteine zu einer multifunktionalen Polymerbürste kombiniert werden.