Funktionalisierte Polymerpartikel

Um einen Einsatz von Dispersionen konjugierter Polymere für bildgebende Verfahren in lebenden Zellen zu ermöglichen, wird neben der tensidfreien Stabilisierung der Partikel eine Möglichkeit zur Funktionalisierung der Partikel benötigt, um diese beispielsweise an DNA oder Proteine ankuppeln zu können.

Die Schwierigkeit dabei bestand darin, eine Kupplungsreaktion zu finden, deren notwendige funktionelle Gruppen bei der Synthese der Polymerpartikel unter den alkalischen wässrigen Sonogashira-Bedingungen die Polymerisation nicht stören oder vom Katalysator angegriffen werden. Die Kupplungsreaktion sollte sich jedoch anschließend im wässrigen Medium unter milden Bedingungen durchführen lassen. Hier wurden verschiedene Konzepte für die nachträgliche Funktionalisierung der Partikel untersucht.

Eine interessante Kupplungsreaktion unter milden Bedingungen ist die 1,3-dipolare Cycloaddition. Dabei wird eine Ethinylkomponente kupferkatalysiert unter Bildung eines Triazol-Rings gekuppelt. Würde es gelingen, Partikel mit Azidgruppen auf der Oberfläche zu synthetisieren, könnten damit ethinylfunktionalisierte Proteine oder DNA an die Partikel angekoppelt werden.

Um solche azidfunktionalisierte Partikel herstellen zu können, wurden hier zwei Konzepte untersucht, denen eine Funktionalisierung in den Seitengruppen der Monomere gemeinsam war. Die erste Möglichkeit bestand darin, Monomere mit Azidgruppen direkt herzustellen und diese mittels Sonogashira-Polymerisation zu polymerisieren. Die zweite Möglichkeit war eine Polymerisation von Monomeren mit alkylischen Bromofunktionalitäten. Dabei sollten diese nach Abschluss der Polymerisation Azidfunktionalitäten auf der Oberfläche der Partikel durch Zugabe von Natriumazid in das Dispersionsmedium erfolgen. In beiden Fällen werden dabei Monomere mit Bromofunktionalitäten benötigt.

Dabei wurden Fluoren- und Phenylenderivate in Betracht gezogen. Da zunächst nicht klar war, ob alkylische Bromofunktionalitäten während der Sonogashira-Polymerisation stören würden, wurde eine Sonogashira-Polymerisation der Monomere 26 und 28 durchgeführt (je 0.5 mmol), wobei eine bezüglich der Bromokomponente stöchiometrische Menge 1-Bromhexan in die organische Phase gegeben wurde. Dabei wurde ein Molekulargewicht von 4.1×10⁴ g/mol und eine Fluoreszenzquantenausbeute von 17% erhalten, was einen akzeptablen Wert

darstellte. Somit konnte davon ausgegangen werden, dass eine Polymerisation mit alkylischen Bromofunktionalitäten in den Seitenketten durchführbar wäre.

Abb. 85: Alkylbromid- bzw. alkylazidsubstituierte Monomere: 86 (links), 87 (rechts)

Zur Synthese eines entsprechenden Monomers wurde zunächst versucht, durch Substitution des Dibromofluorens 11 mit 1,6-Dibromohexan in DMSO ähnlich der Synthese von 20 (Abb. 18) vorzugehen, um ein Fluorenderivat mit zwei Bromofunktionalitäten in den Seitengruppen zu erhalten (Abb. 85). Es gelang jedoch nicht, die Verbindung in reiner Form zu isolieren, da während der Reaktion zahlreiche Nebenprodukte entstanden waren, die säulenchromatographisch nicht abgetrennt werden konnten. Eine alternative Möglichkeit zur Synthese eines alkylisch bromofunktionalisierten Monomers war die Umsetzung des 2,5-Dibromhydrochinons 31 mit 1,6-Dibromohexan zu Verbindung 86, welche in reiner Form isoliert werden konnte. Auch die weitere Umsetzung zur disubstituierten Azidverbindung 87 gelang.

Mit beiden Monomeren 87 und 86 wurden Polymerisationen jeweils mit dem diethinylsubstituierten Phenylenmonomer 37 durchgeführt, in den Experimenten 225 und 227 mit der Copolymerisation von 0.5 mol% Farbstoff 41. (Tabelle 26).

Diese gelangen in beiden Fällen, es wurden stabile gelbe Latices erhalten.

Jedoch waren die per methanolischer Fällung aus den Latices isolierten Polymere in gängigen Lösungsmitteln nicht mehr löslich, wodurch eine Bestimmung des Molekulargewichts und eine Charakterisierung per NMR-Spektroskopie nicht möglich waren.

Tabelle 26: Polymerisationen mit azid- und bromofunktionalisierten Monomeren Polymer Monomere Partikelgröße

[nm]²⁾

QY

225¹⁾ 86, 37, 41 60 23%

226 87, 37 57 9%

227¹⁾ 87, 37, 41 43 24%

je 200µmol Diethinyl- und Dibromokomponente gesamt (¹⁾ 0.5 mol% der Bromokomponente durch Farbstoff 41 ersetzt), 1.0 g Toluol, 0.5 g Diisopropylamin, 0.5 mol% [Pd(PPh3)4], 100µg CuI, 50°C, Gesamtvolumen 25 ml, Polymerisation 144h bei 50°C, ²⁾ DLS, volumengemittelt

Als Ursache hierfür wurde eine während der Polymerisation zumindest teilweise auftretende Quervernetzung vermutet. Diese könnte im Fall der Polymerisation des Bromo-Monomers 86 in einer teilweisen Kupplung von Bromofunktionalitäten unterschiedlicher Ketten mit Diethinylfunktionalitäten mittels des Katalysators liegen. Das Ausmaß dieser angenommenen Quervernetzung dürfte allerdings nur gering sein , da bei der Polymerisation mit zugesetztem 1-Bromhexan dennoch ein mit 4.1×10⁴ g/mol akzeptables Molekulargewicht erreicht wurde. Als Ursache für die Unlöslichkeit der Polymere 226 und 227 (Tabelle 26) wurde hingegen eine bereits während der Polymerisation ablaufende „Click“-Reaktion vermutet, die durch die Anwesenheit von Kupfer-diethinylgruppen mit den Azidgruppen jeweils unterschiedlicher Ketten koppelte. Obwohl mit dem Auftreten einer solchen unerwünschten Nebenreaktion gerechnet werden musste, wurde dies durch den experimentellen Befund erhärtet.

Um die Möglichkeit der nachträglichen Substitution der Alkylbromid-Gruppen auf der Oberfläche der Partikel (225, Tabelle 26) zu untersuchen, wurde der erhaltene Latex zunächst dialysiert, um während der Reaktion entstandene Salze sowie überschüssiges Amin zu entfernen.

Anschließend wurde ein Überschuss Natriumazid in die wässrige Phase gegeben und nach der Reaktion die Dispersion erneut dialysiert. Bei allen Schritten blieb die Dispersion stabil. Aufgrund des vermutlich quervernetzten Charakters der Polymerpartikel war das in Methanol ausgefällte Polymer weder in THF, noch in Chloroform oder Toluol löslich, was eine Bestimmtung des Molekulargewichts und eine Charakterisierung per NMR verhinderte. Ob die

nachträgliche Substitution mit Azidgruppen schließlich eintrat, kann daher nur vermutet werden. Vergleichbare Substitutionen von löslichen Verbindungen in der Wasserphase sind jedoch bekannt.

Zusammenfassend lässt sich schlussfolgern, dass eine Funktionalisierung von Partikeln konjugierter Polymere mittels Sonogashira-Polymerisation über alkylbromid- bzw. alkylazidsubistutierte Monomere zwar möglich ist und dass damit stabile, fluoreszierende Dispersionen mit akzeptablen Quantenausbeuten erhalten werden können. Auch ist die Copolymerisation eines Farbstoffs bei diesen Polymerisationen möglich. Jedoch führt offenbar die Wechselwirkung der Azid- und Bromoalkylgruppen zu einer Unlöslichkeit der Polymere, was deren Charakterisierung erschwert. Eine alternative Möglichkeit zur Synthese funktionalisierter Partikel war die Copolymerisation der Monomere 91, 96 und 94 (Abb. 86).

Abb. 86: Funktionalisierte Monomere

91 enthält eine freie Amingruppe in der Seitenkette und lässt sich als Trifluoracetat aufgrund seiner definierten Zusammensetzung gut einwiegen. Es wurde erwartet, dass Alkylamine die Sonogashira-Polymerisation nicht stören würden, da Amine wie Diisopropylamin auch als Base zum Abfangen der während der Polymerisation gebildeten Halogenwasserstoffsäure zugesetzt werden. Es wurden Polymerisationen mit verschiedenen Anteilen an 91 durchgeführt (Tabelle 27).

Tabelle 27: Emulsionspolymerisation mit verschiedenen Anteilen an 91 Ultraschall, 72h Polymerisation bei 50°C, ¹⁾ DLS, volumengemittelt

Bei den Polymerisationen mit verschiedenen Anteilen an 91 wurden stabile gelbe Latices erhalten, die mit Methanol aus den Dispersionen ausgefällten Polymere waren jedoch unlöslich in Toluol und THF, wodurch eine Bestimmung der Molekulargewichte nicht mehr möglich war. Die Partikelgrößen der Dispersionen lagen im für das Gesamtvolumen von 25 ml typischen Bereich.

Bei 229 verlief die Polymerisation vermutlich unvollständig. Es wurde eine Braunfärbung der Dispersion beobachtet, welche möglicherweise durch eingebrachten Sauerstoff verursacht wurde. Die Partikel ließen sich hier nur unvollständig in Methanol fällen. Die hohe gemessene Quantenausbeute ist vermutlich auf Oligomere zurückzuführen, die bekanntermaßen eine hohe Fluoreszenz aufwiesen (siehe Kapitel 3.2.2).

Das Monomer 94 enthält einen geschützten Cysteinbaustein als funktionelle Gruppe. Eine Copolymerisation mit 26 gelang mit diesem Monomer nicht, es wurde selbst bei geringen Anteilen von nur 1% 94 eine tiefbraune Färbung des Reaktionsgemischs beobachtet, es wurden nur noch Oligomere erhalten.

Möglicherweise koordinieren schwefelhaltige Zersetzungsprodukte des Monomers an den Palladiumkatalysator und vergiften diesen.

Das Monomer 96 besitzt eine Maleinimidgruppe, über welche später mittels einer Michael-Addition ein Thiol angekuppelt werden sollte. Bei der Copolymerisation von SH27b mit 26 färbte sich die Emulsion jedoch auch hier, ähnlich wie bei der Copolymerisation von 94, tiefdunkel. Dabei wurden auch hier nur Oligomere erhalten. Da in 94 und 96 keine potentiellen Katalysatorgifte

enthalten sind, wurde vermutet, dass der Katalysator mit diesen Monomeren Nebenreaktion verursacht und zu lichtabsorbierenden Nebenprodukten führt.