Novel Approaches Towards Sequence-Definition in Polymer Chemistry Using Multicomponent Reactions

Das sich rasch weiterentwickelnde Gebiet der sequenz-definierten Polymere ist durch hochdefinierte, in der Natur vorkommende Biomakromoleküle wie DNA oder Peptide inspiriert, deren definierte Primärstruktur komplizierte biochemische Prozesse ermöglichen. Sowohl die einzigartigen katalytischen Eigenschaften von Enzymen, als auch die Fähigkeit von DNA, die fundamentalen Informationen eines Organismus zu speichern und replizieren, erklären die Faszination, die Sequenzdefinition in der Polymerchemie birgt. Während Polymerchemiker weltweit nach mehr Kontrolle in der Polymerstruktur streben, ist die Präzision der Natur weiterhin unerreichbar. ... mehrIn dieser Arbeit wurden neue Ansätze untersucht, die die etablierte Passerini Dreikomponentenreaktion nutzen und mit anderen leistungsfähigen Reaktionen, wie der 1,2,4-Triazolin-3,5-dion (TAD) Diels-Alder Klick Reaktion oder der Ringschlussmetathese kombiniert, um die Vielseitigkeit bereits bekannter Ansätze noch zu übertreffen.
Große, definierte Makrozyklen wurden über einen templat-freien Ansatz durch Zyklisierung linearer Vorstufen gebildet. Die Vorstufen wurden in einem zweistufigen iterativen Reaktionszyklus basierend auf bidirektionalem Wachstum mit einem dafür geeigneten AB-Monomer erhalten und für Untersuchungen von Struktur-Aktivitäts-Zusammenhängen in der Ringschlussmetathese verwendet. Ein zweiter Ansatz greift auf den gleichen zweistufigen iterativen Ansatz zurück und verwendet dabei erstmals neun verschiedene Monomere. Durch das unabhängige Variieren von Seitenkette und Rückgrat wurden zweifach sequenzdefinierte Makromoleküle erhalten. Diese wurden mittels Tandem Massenspektrometrie ausgelesen, wobei sich zeigte, dass es sich um interessante Verbindungen für die Datenspeicherung handelt, die durch die Erhöhung der frei wählbaren Einheiten pro Wiederholeinheit eine erhöhte Datenspeicherkapazität ermöglichen. In einem dritten Ansatz wurde die Passerini Reaktion mit der dazu orthogonalen TAD Diels-Alder Klick Reaktion in einem schutzgruppen-freien Ansatz kombiniert. Die wirksame und effiziente Kombination der beiden Reaktionen führte zu einem idealen iterativen Wachstum und erlaubte die schnelle Synthese von langen Sequenzen. Durch Übertragung des Ansatzes auf die Festphasensynthese konnte eine umfassende Vergleichsstudie von Festphasensynthese und der Synthese in Lösung durchgeführt werden, die die Vor- und Nachteile beider Strategien hervorhebt.
Die vorliegende Arbeit strebt danach, literaturbekannte Ansätze zur Sequenzdefinition, die auf der Passerini Reaktion basieren, in Vielseitigkeit und Anwendbarkeit der erhaltenen Makromoleküle zu übertreffen.

The rapidly growing field of sequence-defined polymers is inspired by highly defined biomacromolecules, such as peptides or deoxyribonucleic acid (DNA), which occur in Nature and whose complex and precisely defined primary structure enables their biochemical function. The specific catalytic capabilities of enzymes or the ability of DNA to store and replicate information, and thus the fundamental layout of organisms, explain the fascination behind sequence-defined polymers. However, up to date Nature’s precision remains unreached, as polymer chemists worldwide strive to achieve more control over the structure of synthetic macromolecules. ... mehrThis thesis investigates novel approaches towards sequence-defined macromolecules of different structure and architecture using the well-established Passerini three-component reaction in combination with other reactions, such as the 1,2,4-triazoline-3,5-dione (TAD) Diels-Alder click reaction or ring-closing metathesis, in order to exceed the versatility of literature known methods.
Large, defined macrocycles were formed via a template-free approach by cyclisation of linear precursors. The precursors were obtained from a two-step iterative bidirectional growth strategy using a specifically designed AB-monomer and allowed for the establishment of structure activity-relationships concerning ring-closing metathesis. In the second part of this thesis, the same iterative cycle utilising a library of nine different monomers was employed, enabling the independent variation of the side chain and the backbone, leading to dual sequence-defined macromolecules obtained by multicomponent reactions. The increased density of characteristic moieties per repeating unit allowed to increase the data storage capacity of these macromolecules and sequential read-out by tandem mass spectrometry techniques confirmed this. Finally, the Passerini three-component reaction was combined with orthogonal TAD Diels-Alder click reactions to give rise to a protecting group-free synthetic pathway. The powerful combination of the two highly efficient reactions led to an ideal situation for iterative growth, enabling a fast build-up of long sequences. By transferring the approach to the solid phase, a comprehensive comparative study of solid and solution phase synthesis was conducted, highlighting the advantages and disadvantages of both strategies.
This work aims to extend the literature known pathways towards sequence-defined structures using the Passerini three-component reaction, while at the same time increasing the degree of control over sequence as well as achievable architectures, thus allowing to improve the applicability of such macromolecules.