Novel Isocyanide Chemistry for the Synthesis of Defined (Macro-)Molecules

Die Substanzklasse der Isocyanide wurde bereits im späten 19. Jahrhundert entdeckt, allerdings wurde damals eine breitere Anwendung von ihrem meist penetranten Geruch und den wenigen bekannten Darstellungsmöglichkeiten limitiert. Im folgenden Jahrhundert wurden neuartige Methoden zur Synthese dieser Verbindungen etabliert, die jedoch meist auf der Verwendung von gefährlichen bzw. toxischen Chemikalien wie Phosphoryltrichlorid oder Phosgen und seinen Derivaten basierten. Trotzdem wurde ihr Potential von der Wissenschaft schnell erkannt und genutzt. Dies führte zum neuartigen Forschungsgebiet der isocyanidbasierten Chemie, in der die isocyanidbasierten Multikomponentenreaktionen eine der wichtigsten Untergruppen darstellt. ... mehrMögliche Anwendungsbereiche umfassen die kombinatorische und medizinische Chemie sowie die Synthese von definierten als auch dispersen Makromolekülen, wodurch die vielseitige Reaktivität von Isocyaniden bereits angedeutet wird. Dennoch ist ihr Potential bei weitem nicht ausgeschöpft und neuartige Anwendungen und Synthesen werden immer noch regelmäßig publiziert. Moderne Ansätze konzentrieren sich darauf, den ökologischen sowie ökonomischen Einfluss ihrer gefährlichen und teuren Herstellung zu verbessern, da dieser eine breitere industrielle Anwendung bisher verhindert hat. In dieser Arbeit wurden die Synthese von Isocyaniden untersucht und ihre Verwendung in organischer wie auch makromolekularer Chemie erweitert.
Im ersten Teil der Arbeit wird die Synthese von Isocyaniden im Sinne der Nachhaltigkeit kritisch bewertet und nachgehend bezüglich ihrer Umweltfreundlichkeit verbessert. Hierfür werden mehrere nachhaltige Lösungsmittel und weniger gefährliche Reagenzien eingesetzt. Weiterhin wird eine Bibliothek an verschiedenen Isocyanidverbindungen hergestellt, um die Effizienz des überarbeiteten Syntheseprotokolls zu aufzuzeigen.
Zweitens wird eine neuartige One-pot-Reaktion von Isocyaniden mit Sulfoxiden untersucht und deren Reaktionsparameter verbessert. Mehrere verschiedene Experimente werden durchgeführt, um ein tieferes Verständnis der Reaktion zu ermöglichen, nach deren Auswertung ein möglicher Mechanismus vorgeschlagen wird. Das Reaktionsprotokoll wird benutzt, um eine Bibliothek an Verbindungen sowie neuartige Monomere für die Polymerchemie herzustellen.
Im letzten Teil werden definierte, amphiphile, sternförmige Makromoleküle mittels des Arm-first-Ansatzes hergestellt. Die dafür benötigten Armmoleküle werden über einen linearen iterativen Reaktionszyklus synthetisiert, mit uniformem Octa(ethylenglykol) modifiziert und unter Einsatz der kupfer-katalysierten Azid-Alkin-Cycloaddition an eine Kerneinheit gebunden. Danach werden die erhaltenen Sternmoleküle in qualitativen Einkapselungsexperimenten eingesetzt, um mögliche Anwendungen als Phasen-Transfer-Katalysator oder als Drug-Delivery-System zu evaluieren.

The substance class of isocyanides was already discovered in the late 19th century. However, its broader application suffered due to their noxious smell and the limited procedures for their preparation. In the following century, several methods to synthesize these interesting compounds were published, yet they were mostly based on the application of hazardous chemicals, like phosphoryl trichloride or phosgene and its derivatives. Still, scientific research recognized and exploited the tremendous potential of isocyanides. This led to the establishment of isocyanide-based chemistry, featuring isocyanide-based multi-component reactions (IMCRs) as one of the most important areas. ... mehrApplications were found in combinatorial and medicinal chemistry, as well as in the synthesis of defined and disperse macromolecules, which already hints at their highly versatile reactivity. Still, their potential is far from exhausted as novel applications and syntheses are regularly being developed. Modern approaches focus on changing the ecologic and economic impact of their hazardous and costly preparation, which has so far prevented their application in industrial use. The present work investigates the synthesis of isocyanides and extends their use in organic and macromolecular chemistry.
In the first part of the thesis, the synthesis of isocyanides is critically evaluated in terms of sustainability and thereafter improved to be environmentally more benign. Therefore, a set of sustainable solvents as well as less hazardous reagents are employed. Furthermore, a library of different isocyanides is synthesized to demonstrate the efficiency of the reworked protocol.
Secondly, a novel one-pot reaction featuring isocyanides and sulfoxides is investigated and its reaction parameters are improved. A mechanism is proposed and supported based on a variety of control experiments to gain further understanding of this novel reaction. The procedure is applied for the synthesis of a library of compounds and novel monomers for polymer chemistry.
Finally, defined, amphiphilic star-shaped macromolecules were synthesized via an arm-first approach. The respective arm molecules were obtained from a linear iterative growth strategy, modified with uniform octa(ethylene glycol) and coupled to a core moiety via copper-catalyzed azide-alkyne cycloaddition. The star molecules were then employed in qualitative encapsulation experiments to investigate potential applications in phase-transfer catalysis and drug-delivery.