Dendritische Moleküle: Konzepte, Synthesen, Eigenschaften, Anwendungen

Teubner Studienbücher Chemie Fritz Vögtle, Gabriele Richardt, Nicole Werner

Dendritische Moleküle

Teubner Studienbücher Chemie Herausgegeben von Prof. Dr. rer. nat. Christoph Elschenbroich, Marburg Prof. Dr. rer. nat. Dr. h.c. Friedrich Hensel, Marburg Prof. Dr. phil. Henning Hopf, Braunschweig

Die Studienbücher der Reihe Chemie sollen in Form einzelner Bausteine grundlegende und weiterführende Themen aus allen Gebieten der Chemie umfassen. Sie streben nicht die Breite eines Lehrbuchs oder einer umfangreichen Monographie an, sondern sollen den Studenten der Chemie – aber auch den bereits im Berufsleben stehenden Chemiker – kompetent in aktuelle und sich in rascher Entwicklung befindende Gebiete der Chemie einführen. Die Bücher sind zum Gebrauch neben der Vorlesung, aber auch anstelle von Vorlesungen geeignet. Es wird angestrebt, im Laufe der Zeit alle Bereiche der Chemie in derartigen Lehrbüchern vorzustellen. Die Reihe richtet sie auch an Studenten anderer Naturwissenschaften, die an einer exemplarischen Darstellung der Chemie interessiert sind.

Fritz Vögtle, Gabriele Richardt, Nicole Werner

Dendritische Moleküle Konzepte, Synthesen, Eigenschaften, Anwendungen

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Prof. Dr. Fritz Vögtle Studium der Chemie und Medizin in Freiburg und Heidelberg; 1965 Promotion bei Prof. Dr. Dr. Heinz Staab in Heidelberg; nach der Habilitation 1969 Professur in Würzburg; seit 1975 Lehrstuhlinhaber für das Fach Organische Chemie am Kekulé-Institut der Universität Bonn; Autor von in mehrere Fremdsprachen, darunter Chinesisch und Japanisch, übersetzten Büchern („Supramolekulare Chemie“, „Reizvolle Moleküle in der Organischen Chemie“ und andere); Forschung im Bereich der Supramolekularen Chemie, Dendrimere, Molekulare Knoten, Gelatoren, Topologische Chiralität, Pyrolyse, Umlagerungen; Literaturpreis des Fonds der Chemischen Industrie, Lise Meitner-Alexander von Humboldt-Preis (Israel), IBC-Award for Macrocyclic Chemistry (USA), Ehrendoktorwürde der Universität Jyväskylä (Finnland), Adolf von Baeyer-Gedenkmünze der GDCh. Dr. Gabriele Richardt Studium der Chemie an der Rheinischen Friedrich-Wilhelms Universität Bonn; Promotion am Kekulé-Institut für Organische Chemie und Biochemie bei Prof. Dr. H. Wamhoff auf dem Gebiet der Nukleosid-Chemie; von 2002 bis Ende 2006 wissenschaftliche Mitarbeiterin in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. F. Vögtle mit Schwerpunkt wissenschaftliche Betreuung von EU-Projekten; seit 2007 wissenschaftliche Angestellte an der Universität Bonn in der Polymerforschungsgruppe von Prof. Dr. S. Höger. Dr. Nicole Werner Studium der Chemie und Biologie in Bonn, 1999 Diplom in Chemie, von 2001 bis 2004 GraduiertenkollegStipendiatin, Promotion 2004 bei Prof. Dr. F. Vögtle auf dem Gebiet dendritischer Moleküle, von 2004 bis 2006 Assistentin am Kekulé-Institut für Organische Chemie und Biochemie der Universität Bonn; seit 2006 Referendarin für Sek. II am Gymnasium für die Fächer Chemie und Physik.

1. Auflage Juni 2007 Alle Rechte vorbehalten © B.G. Teubner Verlag / GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2007 Der B.G. Teubner Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media. www.teubner.de Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, www.CorporateDesignGroup.de Druck und buchbinderische Verarbeitung: Strauss Offsetdruck, Mörlenbach Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in Germany

ISBN 978-3-8351-0116-6 Compiled by Matt Pretender

Vorwort Die Idee zu diesem Studienbuch wurde während eines von der „Leopoldina Akademie der Wissenschaften“ in der Universität Heidelberg im März 2005 von Prof. L. Gade ausgerichteten Symposiums geboren. Sein Titel “Dendrimers: Platform for Chemical Functionality“ verdeutlicht den inzwischen erreichten Stellenwert dieses Molekültyps. Dass dendritische Moleküle eines der aktiv beforschten Gebiete der modernen Chemie geworden sind, spiegeln abgesehen von regelmäßigen internationalen Dendrimer-Symposien auch die zahlreichen Originalveröffentlichungen und Übersichten hohen Niveaus zu allen Aspekten der Dendrimer-Chemie wider. Obwohl sich die Vielzahl der bisherigen Erkenntnisse und Erfolge in umfangreichen speziellen Werken niedergeschlagen hat, fehlt bisher ein kompaktes Buch aus einem Guss, das zudem die inzwischen angefallenen Forschungsergebnisse berücksichtigt. Professor Elschenbroich regte bei obiger Gelegenheit an, diesen Mangel durch ein TeubnerStudienbuch zu beheben und die Dendrimer-Chemie damit auch der Lehre besser zugänglich zu machen. In der Tat hat dieses Gebiet an verschiedenen Universitäten in Vorlesungen, Seminaren und Praktika zunehmend Eingang gefunden. Da in Bonn die Voraussetzungen gegeben waren, dieses Vorhaben umzusetzen, entstand der Plan, ein einführendes und verständliches Studienbuch zu schreiben, das die wichtigsten Ideen, Konzepte, Strategien, Errungenschaften und Anwendungen der Dendrimer-Chemie im Überblick, graphisch aufbereitet, zu einem vernünftigen Preis bieten könnte. Dabei sollte auch aus heutiger Sicht auf in Praxis und Forschung wichtige Probleme der Reinheit, Perfektheit, das Verhältnis zu hochverzweigten Polymeren und auf bisher nicht vollständig geklärte Fragen der Definition und Nomenklatur eingegangen werden. In den Kapiteln zur Synthese, Charakterisierung und Analytik werden viele Bereiche der Chemie gestreift und fachübergreifend Verbindungen zur Polymerchemie, anorganischen und physikalischen Chemie und Physik geknüpft. Das Buch macht auch in anderen Abschnitten deutlich, dass die dendritischen Moleküle keineswegs auf die organische Chemie begrenzt sind, sondern weit in die Supramolekulare Chemie bis in die Lebenswissenschaften und Medizin hineinreichen und wegen ihrer Nanometer-Dimension und -Funktion in der Materialforschung (Grenzflächen, Photonik, molekulare Elektronik) erste Anwendungen gefunden haben. Das so entstandene Buch ist das erste über Dendrimere in deutscher Sprache überhaupt, aus der Feder einer Pioniergruppe. Es soll zugleich Einführung und Lehrbuch sein: Einerseits wurde versucht, mit anschaulichen Formeln, Schemata und Bildern in die einzelnen Kapitel und Abschnitte einzuleiten, Zusammenhänge verständlich zu erläutern und mit reichlich Literatur zu belegen, anderseits wurden besonders wichtig erscheinende Resultate und Neuerungen ausführlich beschrieben und zum tieferen Eindringen (etwa zum Ausarbeiten von Seminaren) mit neuester Literatur und Nomenklatur versehen. Bei den Literaturzitaten – alle mit Anfangs- und Endzahlen – sind dementsprechend Monographien und Übersichtsartikel in bekannteren Zeitschriften angegeben und als solche deklariert. Für Forschung und Lehre wurde zusätzlich speziellere Literatur zu allen Themen zitiert.

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Vorwort

Der Band enthält erstmals eine Zusammenstellung „Dendritischer Effekte“ und der RöntgenKristallstrukturanalysen jeweiliger Generationen. Bei zusammengesetzten vielsilbigen Worten, die zudem chemische Fachbegriffe enthalten, haben wir an vernünftig erscheinender Stelle einen Trennungsstrich gesetzt, auch wenn sich so Abweichungen von der üblichen Rechtschreibung ergeben können. Der guten Lesbarkeit und dem raschen Verständnis wurde dabei Vorrang eingeräumt (Beispiele: AdamantylEndgruppen, Polyurethan-Lacke, Kohlenhydrat-Analoga, Schaumstoff-Formulierung, Dendrimermolekül-Oberfläche, Polynukleotid-Dendrimer; aber: Witterungsbeständigkeit, Automobilherstellung). Anstelle von Ethylen, Styrol, Benzol, Toluol, Naphthalin, Azobenzol haben wir konsequent die international übliche Schreibweise Ethen, Styren, Benzen, Toluen, Naphthalen, Azobenzen verwendet. Den früheren Mitarbeitern Dr. J. Friedhofen, Dr. J. van Heyst, Dr. J. Brüggemann und Dr. K. Portner sind wir für einige graphische Beiträge oder Literaturrecherchen dankbar. Prof. A. D. Schlüter, Prof. R. Haag, Prof. U. Lüning und Prof. J.-P. Sauvage sind wir für das Mitteilen unveröffentlichter Ergebnisse dankbar. Prof. K. H. Dötz und Prof. S. Höger danken wir für die guten Rahmenbedingungen im Kekulé-Institut. Es ist uns ein Anliegen, Prof. V. Balzani, Dr. P. Ceroni (Bologna), Prof. L. De Cola (Münster) und Prof. F.-G. Klärner (Essen) für lang andauernde Forschungskooperationen zu danken. Unser Dank gilt nicht zuletzt Frau U. Blank und Frau S. Rabus für Schreibarbeiten. Dem Fonds der Chemischen Industrie verdanken wir die Unterstützung von Farbabbildungen. Dem Teubner-Verlag, insbesondere Herrn U. Sandten und Frau K. Hoffmann, möchten wir für die unkomplizierte Zusammenarbeit unseren Dank aussprechen. Wir hoffen, dass diese kritische Sichtung und kompakte Beschreibung der dendritischen Moleküle auf dem derzeitigen Wissensstand für Ausbildung, Lehre, Forschung und Anwendung nützlich sein wird und zur weiteren Entwicklung dieses spannenden und inspirierenden – „vielarmigen und vielfach verzweigten“ – Forschungsgebiets beiträgt.

Fritz Vögtle, Gabriele Richardt, Nicole Werner Kekulé-Institut der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn Bonn, im Frühjahr 2007

Inhaltsverzeichnis Vorwort...................................................................................................................................... 5 Inhaltsverzeichnis...................................................................................................................... 7 1. Einleitung ............................................................................................................................ 12 1.1 Historie – Kaskaden-Moleküle und Dendrimere .......................................................... 12 1.2 Dendritische Architekturen ........................................................................................... 17 1.3 Perfektheit, Defekte, Dispersität ................................................................................... 25 1.4 Definition und Einteilung dendritischer Moleküle........................................................ 27 1.5 Nomenklatur dendritischer Moleküle............................................................................ 28 1.5.1 Newkome-Nomenklatur.......................................................................................... 28 1.5.2 Cascadan-Nomenklatur .......................................................................................... 30 Literaturverzeichnis und Anmerkungen zu Kapitel 1 ......................................................... 35 2. Synthesemethoden für dendritische Moleküle .................................................................... 38 2.1 Divergente Synthese...................................................................................................... 38 2.2 Konvergente Synthese................................................................................................... 39 2.3 Neuere Synthesemethoden ............................................................................................ 41 2.3.1 Orthogonale Synthese ............................................................................................ 41 2.3.2 Konvergente Zweistufenmethode .......................................................................... 41 2.3.3 Doppelt-exponentielle Methode............................................................................. 42 2.3.4 Hypermonomer-Methode ....................................................................................... 43 2.3.5 Click-Chemie ......................................................................................................... 44 2.4 Festphasen-Synthese ..................................................................................................... 44 2.5 Koordinations-chemische Synthese .............................................................................. 46 2.5.1 Metallkomplex als Kerneinheit .............................................................................. 46 2.5.2 Metallkomplexe als Verzweigungseinheit.............................................................. 47 2.6 Supramolekulare Synthese ............................................................................................ 48 2.7 Hyperverzweigte Polymere ........................................................................................... 51 2.8 Dendronisierte lineare Polymere................................................................................... 52 2.8.1 Polymer-analoge Methode ..................................................................................... 52 2.8.2 Makromonomer-Methode ...................................................................................... 54 2.9 Dendro-Isomere ........................................................................................................ 56 Literaturverzeichnis und Anmerkungen zu Kapitel 2 ......................................................... 58

8

Inhaltsverzeichnis

3. Funktionale Dendrimere......................................................................................................62 3.1 Monofunktionale Dendrimere .......................................................................................62 3.1.1 Funktionaler Kern...................................................................................................62 3.1.2 Funktionale Peripherie............................................................................................64 3.1.3 Funktionale Einheiten im Dendrimer-Gerüst .........................................................67 3.2 Multifunktionale Dendrimere ........................................................................................73 3.2.1 Bifunktionalisierte Molekülperipherie....................................................................74 3.2.2 Zwei verschiedene funktionale Einheiten in unterschiedlichen Molekülteilen ......80 3.2.3 Mehr als zwei verschiedene funktionale Einheiten ................................................82 3.2.4 Übersicht über funktionale Dendrimere und ihre Synthese....................................85 Literaturverzeichnis und Anmerkungen zu Kapitel 3..........................................................88 4. Dendrimer-Typen und -Synthesen.......................................................................................92 4.1 Achirale Dendrimere .....................................................................................................92 4.1.1 POPAM...................................................................................................................92 4.1.2 PAMAM .................................................................................................................97 4.1.3 POMAM ...............................................................................................................100 4.1.4 Polylysin-Dendrimere...........................................................................................102 4.1.5 Dendritische Kohlenwasserstoffe .........................................................................105 4.1.6 Kohlenstoff-/Sauerstoff-basierte (und Fréchet-) Dendrimere ..............................116 4.1.7 Porphyrin-basierte Dendrimere ............................................................................124 4.1.8 Ionische Dendrimere ............................................................................................125 4.1.9 Silizium-basierte Dendrimere...............................................................................132 4.1.10 Phosphor-basierte Dendrimere ...........................................................................145 4.1.11 Metallo- (und Newkome-) Dendrimere ...............................................................147 Literaturverzeichnis und Anmerkungen zu Kapitel 4.1.....................................................153 4.2 Chirale Dendrimere .....................................................................................................159 4.2.1 Klassifizierung chiraler Dendrimere.....................................................................159 4.2.2 Untersuchungen zur Chiralität dendritischer Moleküle........................................161 4.2.3 Dendrimere mit chiralem Kern und achiralem Verzweigungsgerüst ....................162 4.2.4 Dendrimere mit chiralen Bausteinen als Spacer oder Verzweigungseinheiten.....171 4.2.5 Chiralität in der Peripherie ...................................................................................173 4.2.6 Chirale Dendrimere für die asymmetrische Katalyse ...........................................176 4.2.7 Zur Deutung der Chiralität dendritischer Moleküle .............................................177 Literaturverzeichnis und Anmerkungen zu Kapitel 4.2.....................................................182 5. Photophysikalische Eigenschaften dendritischer Moleküle ..............................................185

Inhaltsverzeichnis

9

5.1 Lumineszenz und Energietransfer............................................................................... 185 5.1.1 Lumineszenz ........................................................................................................ 185 5.1.2 Energietransfer ..................................................................................................... 188 5.2 Antennen-Effekt und Photoisomerisierung von Dendrimeren .................................... 194 5.2.1 Antennen-Effekt ................................................................................................... 194 5.2.2 Photoisomerisierung............................................................................................. 204 Literaturverzeichnis und Anmerkungen zu Kapitel 5 ....................................................... 209 6. (Spezielle) Chemische Reaktionen dendritischer Moleküle.............................................. 211 6.1 Kovalente chemische Reaktionen ............................................................................... 211 6.1.1 Metathese ............................................................................................................. 211 6.1.2 Molekulares Prägen.............................................................................................. 217 6.1.3 Kovalenter Einbau von Funktionalitäten im Inneren dendritischer Moleküle ..... 219 6.2 Supramolekulare (Wirt/Gast-)Wechselwirkungen ...................................................... 220 6.2.1 Nicht-kovalente Modifikation der Peripherie eines Dendrimers.......................... 220 6.2.2 Selbstorganisation von Dendrimeren ................................................................... 223 6.2.3 Einschluss von Gast-Species in dendritische Wirtmoleküle ................................ 224 6.2.4 Dendrimere als Gastmoleküle .............................................................................. 234 6.2.5 Dendritische Sperrgruppen (in Rotaxanen).......................................................... 237 6.3 Dendritische Effekte.................................................................................................... 240 6.3.1 Dendritischer Effekt beim Einschluss von Gästen ............................................... 240 6.3.2 Dendritische Effekte in der Katalyse.................................................................... 241 6.3.3 Dendritische Effekte bei elektrochemischen Eigenschaften ................................ 260 6.3.4 Zusammenfassung zum Dendritischen Effekt ...................................................... 265 Literaturverzeichnis und Anmerkungen zu Kapitel 6 ....................................................... 266 7. Charakterisierung und Analytik ........................................................................................ 271 7.1 Chromatographie......................................................................................................... 271 7.1.1 Flüssigchromatographie ....................................................................................... 271 7.1.2 Gelpermeations-Chromatographie ....................................................................... 275 7.2. Gel-Elektrophorese .................................................................................................... 277 7.3 NMR-Spektroskopie ................................................................................................... 278 7.3.1 (1D)-NMR-spektroskopische Untersuchungen.................................................... 279 7.3.2 Mehrdimensionale NMR-Spektroskopie in der Dendrimer-Forschung ............... 280 7.3.3 Diffusions-NMR-Spektroskopie .......................................................................... 280 7.3.4 Dynamische-NMR-Spektroskopie ....................................................................... 281 7.4 Massenspektrometrie................................................................................................... 281

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7.4.1 Sanfte Ionisationsmethoden: MALDI und ESI......................................................282 7.5 Röntgen-Kristallstrukturanalyse ..................................................................................284 7.6 Kleinwinkelstreuung....................................................................................................284 7.6.1 Prinzip der Kleinwinkelstreuung ..........................................................................285 7.6.2 Leistungsfähigkeit der Kleinwinkelstreuung........................................................285 7.6.3 Strukturanalyse gelöster Dendrimere mit SANS und SAXS ..................................286 7.7 Rastersonden-Mikroskopie..........................................................................................288 7.7.1 STM und AFM ......................................................................................................289 7.8 Transmissions-Elektronenmikroskopie .......................................................................292 7.8.1 TEM ......................................................................................................................292 7.9 Chiroptische Messmethoden........................................................................................294 7.9.1 Optische Rotationsdispersion und Circulardichroismus.......................................294 7.10 Zusammenfassung .....................................................................................................298 Literaturverzeichnis und Anmerkungen zu Kapitel 7........................................................301 8. Spezielle Eigenschaften und Anwendungspotenziale........................................................306 8.1 Einleitung ....................................................................................................................306 8.2 Katalyse, Membrantechnik..........................................................................................307 8.2.1 Dendrimere als Träger für Katalysatoren .............................................................308 8.2.2 Katalytische Dendrimere für Membranreaktoren .................................................309 8.2.3 Dendrimere in der enantioselektiven Katalyse .....................................................310 8.2.4 Dendrimere als Phasentransfer-Katalysatoren......................................................311 8.3 Pigmente, Klebstoffe, Additive in Chemiewerkstoffen ...............................................311 8.3.1 Dendrimere als Additive.......................................................................................311 8.3.2 Dendritische Polymere für Druckerfarben............................................................312 8.3.3 Dendritische Polymere für Lacke .........................................................................312 8.3.4 Dendritische Polymere als Additive in der Schaumstoff-Formulierung...............312 8.3.5 Netzwerk-Vorstufen für Kunststoffe.....................................................................312 8.3.6 Dendrimere als Nanokapseln für Farbstoffe und für Molekulares Prägen ...........313 8.4 Dendrimere für Displays und (Opto-)Elektronik.........................................................315 8.4.1 Flüssigkristalline Dendrimere...............................................................................316 8.5 Biomimetik, Sensorik, Diagnostik (Fluoreszenz)........................................................317 8.5.1 Protein-Dendrimere ..............................................................................................317 8.5.2 Glycomimetika .....................................................................................................319 8.5.3 Dendrimere in der Sensorik..................................................................................320 8.6 Dendrimere in der Medizinischen Diagnostik.............................................................328

Inhaltsverzeichnis

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8.6.1 Magnetresonanz-Imaging (MRI)-Verfahren ........................................................ 328 8.6.2 DNS-Dendrimere als Biosensoren für die DNS-Hybridisierung ......................... 330 8.7 Medizinische Anwendungen ....................................................................................... 330 8.7.1 Dendrimere als Transportsysteme für Cytostatika ............................................... 330 8.7.2 Gentherapie .......................................................................................................... 332 8.7.3 Photodynamische Therapie .................................................................................. 333 8.7.4 Dendrimere als Präventionsmittel gegen HIV...................................................... 334 8.7.5 Organ- und Gewebe-Züchtung............................................................................. 335 8.7.6 Borneutronen-Einfangtherapie............................................................................. 336 8.8 Dendrimere in der Nanotechnologie ........................................................................... 337 8.8.1 Photoschaltbare Dendrimere ................................................................................ 337 8.8.2 Dendrimere als Schleusen .................................................................................... 338 8.8.3 Dendrimere als Nanoröhren ................................................................................. 339 8.8.4 Dendritische Polymere als Template .................................................................... 341 Literaturverzeichnis und Anmerkungen zu Kapitel 8 ....................................................... 343 Ausblick ................................................................................................................................ 348 Personenverzeichnis.............................................................................................................. 350 Sachverzeichnis..................................................................................................................... 352

1. Einleitung

1.1 Historie – Kaskaden-Moleküle und Dendrimere Als erste konkrete Vertreter sich immer von neuem verzweigender Verbindungen beschrieben Vögtle et al.[1] 1978 eine Serie von synthetischen „Kaskaden-Molekülen“.[2-4] Via „Kaskaden-Synthese“ wurden dabei, ausgehend von diversen primären Mono- und Diaminen, Verlängerungs-Einheiten (Spacer) mit Propylenamin-Struktur angeheftet, deren N-Atome – bei jedem repetitiven Folgeschritt[5] – als 1ĺ2-Verzweigungsstellen dienten (eine Bindung verzweigt sich formal in zwei neue). Konkret führte im einfachsten Fall die Umsetzung eines primären Mono-Amins über eine zweifache Michael-Reaktion mit Acrylnitril (Bis-Cyanoethylierung) zum Dinitril (Bild 1-1). Anschließende Reduktion beider Nitril-Funktionen – durch Hydrierung mit Natriumborhydrid in Gegenwart von Cobalt(II)-Ionen – ergab das entsprechende endständige Diamin. Durch Wiederholung (Repetition, Iteration) dieser Synthesesequenz, bestehend aus MichaelAddition und nachfolgender Reduktion, gelangte man erstmals – und hinsichtlich der Struktur variabel – zu regelmäßig verzweigten vielarmigen Molekülen. +

R

R

CN

R Co(II), NaBH4

N NH2

repetitiver Reaktionsschritt (A)

NC

CN

N

repetitiver Reaktionsschritt (B) NH2

+

NH2

R

CN

R N

Co(II), NaBH4

repetitiver Reaktionsschritt (A) N

N

NC

N

repetitiver Reaktionsschritt (B)

N

N

CN CN

NC

H2N

NH 2 H2N

NH2

Bild 1-1 Erste Synthese von Kaskaden-Molekülen (nach Vögtle et al.)

Von demselben Arbeitskreis waren bereits einige Jahre zuvor (1974) vielarmige, wenn auch nicht verzweigte Moleküle als „Krakenmoleküle“ (octopus molecules) publiziert worden,[6] deren gleichfalls zahlreiche Arme zur Komplexierung von Metall-Ionen genutzt wurden (Bild

1.1 Historie – Kaskaden-Moleküle und Dendrimere

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1-2). Diese Krakenmoleküle können als Vorläufer der Stickstoff-haltigen PropylenaminKaskaden-Moleküle angesehen werden, da sie die Nützlichkeit vieler benachbarter funktioneller Arme – wie sie durch Verzweigungen noch stärker erreichbar sind – zum Beispiel für Wirt-Gast-Wechselwirkungen, bereits demonstrierten.[6] RO OR

RO

OR

O RO O

RO

O O

O O

O

S S

O

O O

O

O S

S

S

S

M S S

S

O

O

O

RO

M

O

O

O S

S O

S

O

O O

OR O

RO

O

OR RO

RO

Bild 1-2 Krakenmolekül (links): Wirt-Gast-Wechselwirkung mit Metall-Ionen (schematisch; nach Vögtle, Weber)

Die Weiterentwicklung hochverzweigter (kaskadenartiger, dendritischer) Moleküle verlief anfangs über viele Jahre schleppend, was wohl auf die damaligen synthetischen und analytischen Schwierigkeiten mit dieser an der Grenze zwischen den nieder- und hochmolekularen Verbindungen liegenden Spezies zurückzuführen ist. Denkewalter et al. beschrieben 1981 in Patenten einen Zugang zu Polylysin-Dendrimeren (Bild 1-3) via divergenter Synthese (s. Kapitel 2.1).[7]

NH 2 H 2N

O

H N

O

O

NH

N H

NH 2 H 2N

Bild 1-3 Polylysin-Dendrimer (nach Denkewalter et al.); die zwei peripheren der drei Lysin-Einheiten sind grün gekennzeichnet

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1. Einleitung

Maciejewski entwickelte 1982 ein Konzept der dichtesten Packung von kaskadenartig aufgebauten Polymeren.[8] De Gennes (Nobelpreis für Physik 1991) und Hervet zeigten 1983 in statistischen Betrachtungen Grenzfaktoren (starburst-limited generation) beim Wachstum verzweigter Moleküle auf, wobei sie den Einfluss sterischer Hinderung berücksichtigten.[9] Weitere statistische Modell-Berechnungen wurden mit der „Kaskaden-Theorie“ kombiniert.[10] Nach de Gennes werden hochverzweigte Moleküle zur „weichen Materie“ gezählt.[11] Tomalia entwickelte 1985 verzweigte Poly(amidoamine) (PAMAM), die er auch „StarburstDendrimere“ (Bild 1-4) nannte und propagierte allgemein den Namen „Dendrimer“ (von griech. dendron = Baum und meros = Teil).[12] Der Aufbau wurde analog zur ersten Kaskaden-Synthese gleichfalls über eine Michael-Addition (von Methylacrylat an Ammoniak) durchgeführt. Der resultierende Ester wurde mit überschüssigem Ethylendiamin zum primären Triamin umgewandelt. Wiederholung der Reaktionsabfolge (Iteration) analog der Kaskaden-Synthese ließ Dendrimere bis zur zehnten Generation entstehen – mit abnehmender Rein- und Perfektheit (siehe Abschnitt 1.3). Die einzelnen Ester-Stufen bezeichnete Tomalia als halbe Generationen (0.5, 1.5, 2.5).[13] O

H N

NH2

CO2Me NH3

(A)

NH2

H2N

CO2Me MeO2C

O

N

(B)

N

NH

O

CO2Me

NH

H2 N H 2N

O O

H N

N

N CO2Me (A)

NH2

H 2N (B)

H2N

O

O

N H

HN

N

O

NH

O N

HN

NH2 N H

O

NH H2N

NH2

O NH

O

N H

NH2

Bild 1-4 Synthese von Poly(amidoamin)-Dendrimeren (PAMAM; nach Tomalia et al.)

NH2

1.1 Historie – Kaskaden-Moleküle und Dendrimere

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Gleichfalls im Jahr 1985 stellten Newkome et al. über eine divergente Synthese den Zugang zu wasserlöslichen hochverzweigten „Arborol-Systemen“ (Bild 1-5) mit endständigen Hydroxylgruppen vor, deren Name sich vom lateinischen arbor = Baum ableitet.[14] HO

OH

OH OH OH

a) Br

OEt OEt

O Na

HO

b) Br

HO

O

OH

NH

HO

OH

NH

O H N O

OH

O

OH OH

O

HO

OH

NH

OH

NH

O H N

OH H 2N

HO

HO

O OEt O

Br

HO

O

HO

HO

"TRIS"

O

HN NH NH O

HO HO

OH OH OH

HO

OH OH

Bild 1-5 Arborol (nach Newkome et al.)

Eine ausführliche, farbig illustrierte Übersichtsveröffentlichung Tomalias[10] trug sehr zum Bekanntheitsgrad der hochverzweigten Verbindungen bei – und zur Durchsetzung des einprägsamen Familiennamens „Dendrimere“. Im gleichen Jahr beschrieben Fréchet und Hawker den ersten konvergenten Aufbau von Dendrimeren. Sie synthetisierten Polyarylether-Architekturen „von außen nach innen“ (Bild 1-6; s. Kapitel 2.2).[15]

O

O

O O O

O

O O O O

O O O O

O

O O O

O

O O

Bild 1-6 Fréchet-Dendrimer

16

1. Einleitung

Miller und Neenan gelang es im gleichen Jahr, ebenfalls mit der konvergenten Synthesestrategie,[16] die ersten ausschließlich auf Aren-Einheiten basierenden KohlenwasserstoffDendrimere herzustellen (Bild 1-7).

Bild 1-7 Kohlenwasserstoff-Dendrimer (nach Miller und Neenan)

Die Historie der dendritischen Moleküle sei hier einleitend auf ihre anfängliche Entwicklung beschränkt. Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass theoretische Abhandlungen über unendliche (polymere) Netzwerke von Flory bis 1941 zurückverfolgt werden können.[17] Über weitere Pionierarbeiten und deren Urheber auf dem Gebiet der Dendrimere wird in den Kapiteln 2 und 4 berichtet, in denen im Zusammenhang mit Synthesemethoden und Dendrimer-Typen auch auf neuere Entwicklungen eingegangen wird. Das exponentielle Wachstum und die Aktualität des Forschungsgebiets der dendritischen Moleküle fast dreißig Jahre nach der ersten Synthese (1978) zeigt sich nicht nur in einer Vielzahl an Publikationen (insgesamt mehr als 10000; seit 2004 waren es jährlich über 1000, dazu jeweils ca. 150 Patente), sondern auch schon die Tatsache, dass mehr als 8000 Forscher auf diesem Gebiet tätig sind und mehr als 150 Firmen bereits Patente über dendritische Verbindungen angemeldet haben (Quelle: IDS-5-Programm). Auch die 1999 im Zweijahresturnus stattfindenden Dendrimer-Symposien spiegeln diese Entwicklung wider: Das erste Internationale Dendrimer-Symposium (IDS-1) wurde, initiiert durch Vögtle und Müllen, 1999 in Frankfurt/Main unter der Schirmherrschaft der DECHEMA abgehalten (Bild 1-8). 183 Teilnehmer aus 21 Ländern diskutierten über Design, Synthese, Strukturen, Analytik und Anwendungen von dendritischen Molekülen.[18] Im zweiten Internationalen Dendrimer-Symposium wurde unter anderem die Vervielfachung funktioneller Gruppen an der Peripherie dendritischer Moleküle unter dem Gesichtpunkt der Verstärkung von physikalischen und chemischen Effekten herausgestellt. Ebenso wurde der Einschluss von Gastspezies im Sinne der Supramolekularen Chemie diskutiert. Als Gäste wurden auch Wirkstoffe (z. B. Cytostatika) in Betracht gezogen, die an bestimmten Orten des Organismus gezielt aus der „Umarmung“ des Dendrimers freigesetzt werden könnten (drug targeting; drug release; s. Kapitel 8).

1.2 Dendritische Architekturen

17

Bild 1-8 „Flyer“ und „Logos“ der ersten vier Dendrimer-Symposien in: Frankfurt, 1999 (Organisation: F. Vögtle, K. Müllen, DECHEMA) Tokio, 2001 (Organisation: T. Aida, M. Ueda, DECHEMA) Berlin, 2003 (Organisation: A. Schlüter, F. Vögtle, E. W. Meijer, A. Hult, DECHEMA) Michigan, 2005 (Organisation: D. Tomalia, J.-F. Stoddart, F. Swenson, J. F. Fréchet); (IDS-5: Toulouse, 2007 (Organisation: J.-P. Majoral, A.-M. Caminade))

Das dritte Internationale Dendrimer-Symposium fand 2003 in der Technischen Universität Berlin statt. Fachübergreifende Vorträge zeigten, wie weit „verzweigt“ dendritische Moleküle auch in andere naturwissenschaftliche Bereiche, wie Physik, Biologie, Medizin und Ingenieurwissenschaften ausstrahlen. Die Funktionalisierungs- und die darauf basierenden Anwendungsmöglichkeiten im Hinblick auf die Industrie waren Schwerpunkte dieses Symposiums. So wurden beispielsweise Nano-dimensionierte Kontrastmittel auf Dendrimer-Basis als Multilabel zur Visualisierung von Blutgefäßen vorgestellt (s. Kapitel 8). Potentielle Anwendungen dendritischer Materialien als Lumineszenz-Marker in der Diagnostik fanden reges Interesse (s. Kapitel 8). Das Abwägen der Unterschiede zwischen Dendrimeren und hyperverzweigten Polymeren unter dem Gesichtspunkt ihrer kostengünstigen Verwendbarkeit war ebenso ein Thema.[18] Beim vierten Internationalen Dendrimer-Symposium 2005 in Mount Pleasant, Michigan/USA mit 81 internationalen Vortragenden wurde der Schwerpunkt auf das Anwendungspotenzial von dendritischen Molekülen gelegt. Dies wurde nicht zuletzt durch die strikte Einteilung der Vorträge nach kommerziellen Anwendungsmöglichkeiten als (Nano-) Materialien (Displays, optische Sensoren) oder in der Medizin (s. Kapitel 8) deutlich.

1.2 Dendritische Architekturen Der Name Dendrimere, der die ursprüngliche Bezeichnung Kaskaden-Moleküle inzwischen weitgehend verdrängt hat, leitet sich vom griechischen dendron und meros ab, was die baum-

18

1. Einleitung

artig verzweigte Struktur dieser Verbindungsklasse veranschaulichen soll (siehe Abschnitt 1.1). Vielfach verzweigte (dendritische) Gebilde sind in Natur, Wissenschaft, Technik, Kunst und im Alltag häufig anzutreffen. Naheliegende Beispiele für natürlich vorkommende dendritische Strukturen sind Baum- und Wurzel-Verästelungen (Bild 1-9), Blutgefäße, Nervenzellen, Flüsse, Blitze, Korallen, Schneeflocken.[19a] An Elektroden oder Edelmetallen abgeschiedene Metalle[19b] zeigen öfters Verzweigungen, ebenso wie Fasern und Gele.[20] Die Fußspitzen von Geckos bestehen aus Millionen von vielfach aufspaltenden dünnen Haar-Enden, um das Klettern an – spiegelglatten – Wänden und Decken zu ermöglichen.[21a,b] Nach diesem Vorbild – und dem von Fliegen, Spinnen und anderen Tieren – wurde am Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart ein wieder ablösbarer Klebstoff entwickelt, der z. B. Kühlschrankmagnete ersetzen soll.[21c] Selbst die Evolution lässt sich dendritisch veranschaulichen.[21b, 2223] Vielarmige Gottheiten spielen in manchen Religionen eine besondere Rolle. Ein individuell zu einer Netzstruktur form- und verknüpfbarer Raumteiler wurde in den Handel gebracht.[24]

Bild 1-9 Dendritische Strukturen in der Natur: Verästelungen von Bäumen, vor und nach Aufnahme von „Gästen“ (Mistel-Bewuchs) in den Zwischenräumen [25a]

O

O

O

O O

O

OH

Bild 1-10 In dendritischen Mustern kristallisierende Substanz[25b] (Fréchet-Dendron zweiter Generation)

1.2 Dendritische Architekturen

19

Fraktale sind mathematisch definierte selbstähnliche Strukturen (Bild 1-11).[26] Das Gerüst von Kaskaden- oder dendritischen Molekülen ist fraktal, wenn die Atome als Punkte und Bindungen als seitlich nicht ausgedehnte Linien angenommen werden. Selbstähnlichkeit bedeutet, dass sich Strukturelemente in verschiedenen Größenstufen wiederholen. Während die Selbstähnlichkeit der mathematisch errechneten Konstrukte in Bild 1-11 eher zu erahnen ist, lässt sich ihr Prinzip anschaulich mit dem Sierpinski-Dreieck[27] erläutern. Verbindet man in dem in Bild 1-12 links gezeigten gleichschenkligen Dreieck die Mitten seiner drei Seiten, so erhält man ein weiteres gleichseitiges Dreieck, das gegenüber dem ursprünglichen um den Faktor ¼ verkleinert ist. Nach dessen Entfernen verbleibt die mittlere Figur in Bild 1-12. Wendet man diese Vorgehensweise nun auf die mittlere Figur an, so erzeugt man die Darstellung rechts außen. Bei jeder Wiederholung dieser Prozedur resultiert eine neue Generation des Sierpinski-Dreiecks. Die Ausgangsfigur nennt man erste Generation.

Bild 1-11 Fraktale Strukturen (Computer-berechnet)[28]: Die vier Teilbilder zeigen (von links nach rechts) eine Folge von Mandelbrot-Mengen[26] nach 5, 10, 50 und 150 Iterationen. Für jede Iteration dient das Zwischenergebnis als Ausgangswert (Die Einzelbilder wurden vielfarbig erzeugt, konnten hier jedoch nur modifiziert wiedergegeben werden)

Modifiziert man die graphische Darstellung des Sierpinski-Dreiecks, indem man die Dreiecke nicht mehr als geometrische Körper, sondern nur noch die Verbindungslinien der Mittelpunkte der entfernten Dreiecke einzeichnet, so ergibt sich Bild 1-13. Man erkennt jetzt gut die dendritischen Verästelungen und dass die Länge der Äste insgesamt mit jeder hinzukommenden Generation zunimmt.

20

1. Einleitung

Bild 1-12 Prinzip der Selbstähnlichkeit, demonstriert am Beispiel der ersten drei Generationen des Sierpinski-Dreiecks

Bild 1-13 Modifizierte (dendritische) Darstellung des Sierpinski-Dreiecks

Ersetzt man das zweidimensionale Dreieck durch einen dreidimensionalen Körper, z. B. einen Tetraeder, so liegen die Verzweigungsstellen auf einer imaginären Kugel-Oberfläche. Daraus lässt sich der schalenförmige Aufbau der Dendrimere ableiten. Dendrimere sind molekulare (Nano-)Architekturen von gut definierter Größe und Anzahl der Endgruppen. Ausgehend von einer multi-funktionellen Kerneinheit verzweigt sich die Struktur – oft in regelmäßigen Schichten (Schalen) ähnlich einer Zwiebel – dreidimensional von innen nach außen. Diese Generationen können zur Charakterisierung der Molekülgröße – innerhalb eines Dendrimer-Typs – dienen. Die segmentförmig an die Zentraleinheit geknüpften Verzweigungen werden als Dendrons bezeichnet. An der – formal gedachten – Oberfläche des Dendrimers, die oft auch als Peripherie bezeichnet wird, befinden sich die Endgruppen, die ihrerseits „terminale funktionelle Gruppen“ sein können (Bild 1-14). Diese sind – bei konformativ flexiblen Dendrimeren mit überwiegend aliphatischem Gerüstaufbau – allerdings im zeitlichen Mittel oft ins Molekül-Innere zurückgefaltet und bilden daher weder eine homogene äußerste Schale noch definierte freie Poren (siehe Kapitel 7.6.3.2).

1.2 Dendritische Architekturen

21 Dendron

Generationen

G4 G3 G2 G1

Endgruppen

Kerneinheit

Bild 1-14 Dendrimer-Gerüst – mit drei Dendrons (schematisch, idealisiert)

Je nach Art der Endgruppen variieren die Eigenschaften des Dendrimers in Gestalt, Stabilität, Löslichkeit, konformativer Rigidität/Flexibilität und Viskosität. Mit zunehmendem Generationsgrad steigt die Anzahl der Endgruppen mit den gegebenen Funktionalitäten. Dies kann zur Verstärkung bestimmter Phänomene, wie Lichtsammel-Effekte (Kapitel 5), oder auch – wie in Kapitel 8 beschrieben – zur Signalverstärkung genutzt werden (Amplifikations-Effekt). Durch die Anpassung von Design und Synthese eines Dendrimers können so bestimmte Eigenschaften – in gewissen Grenzen – gesteuert und eventuell maßgeschneidert werden. Aufgrund ihrer selbstähnlichen (fraktalen) Struktur lässt sich die Anzahl der Endgruppen eines Dendrimers einer beliebigen Generation mit der folgenden Formel berechnen:

nG = Fk (Fv - 1)

G

(1.1)

nG : Anzahl der Endgruppen in der G-ten Generation Fk : Funktionalität des Kerns (= Zahl der vom Kern ausgehenden Bindungen) Fv : Funktionalität der Verzweigungseinheit (Anzahl der von einer Verzweigung ausgehenden Bindungen) G : Generation des Dendrimers Diese Gleichung drückt letztlich nichts anderes aus, als dass die Anzahl der terminalen Gruppen in Abhängigkeit von der Zahl der (ehemaligen) funktionellen Gruppen des Kerns (Kern-

22

1. Einleitung

Multiplizität) und derjenigen der Verzweigungseinheiten (Verzweigungsmultiplizität) exponentiell mit dem Generationsgrad steigt. Die mechanische Stabilität eines Dendrimers ist abhängig von der konformativen Flexibilität/Rigidität der Verzweigungseinheiten und der Endgruppen. Werden die Verzweigungseinheiten modifiziert, so ändert sich die Dichte im Inneren des Dendrimer-Moleküls. Dies ist wichtig für die in Kapitel 6.2 genauer erläuterte Wirt/Gast-Chemie, die sich Areale mit geringerer Dichte zunutze macht, um Gäste einzulagern. Das Dendrimer-Gerüst wirkt hier als eine Art – reversible – „dendritische Box“. Durch gezielte Wahl der Verzweigungs-Bausteine kann es dementsprechend gelingen, selektiv Gastmoleküle – abgesehen vom Lösungsmittel – in ein Dendrimer einzuschließen, ohne dass hierzu vorgebildete freie Hohlräume oder Nischen erforderlich wären. Die oligo- oder multi-funktionelle Kerneinheit ist mitentscheidend für die räumliche Ausdehnung eines Dendrimers. Der Kern selbst kann schon eine Funktion ausüben, wie beispielsweise die Metallo-Dendrimere zeigen (s. Kapitel 4.1.11), in denen der Metallion-Kern in einer supramolekular oder Koordinations-chemisch aufgebauten Architektur die Verzweigungs-Einheiten um sich herum koordiniert – und auf diese Weise katalytische und photochemische Prozesse beeinflussen kann. Die Möglichkeiten, über die einzelnen Struktureinheiten eines Dendrimers Einfluss auf dessen Eigenschaften auszuüben, sind in Tabelle 1.1 allgemein zusammengestellt. Tabelle 1.1 Einflüsse der verschiedenen Bauteile von Dendrimeren

Kern

Verzweigungseinheit

Oberfläche

Endgruppe

beeinflusst Form

Form

Form

Form

Größe

Größe

Größe

Stabilität

Multiplizität

Dichte/Nischen

Flexibilität

Löslichkeit

Funktionen

Gastaufnahme

Eigenschaften

Viskosität

Ein Spezifikum dendritischer Moleküle ist, dass sie in Lösung eine niedrigere Viskosität aufweisen als entsprechende weniger verzweigte Verbindungen. Eine charakteristische Größe hierfür ist der Staudinger-Index Ș (Dimension ml/g). Hierzu wird die Änderung der Viskosität einer Lösung mit verschiedener Dendrimer- (oder Polymer-)Konzentration bestimmt, um dann mit Hilfe von empirischen Gleichungen auf die Konzentration null extrapoliert zu werden. Die Abhängigkeit des Staudinger-Index von der Molekularmasse wird als intrinsische Viskosität oder auch Grenzviskosität bezeichnet und lässt sich durch die Mark-HouwinkBeziehung definieren:

1.2 Dendritische Architekturen

23

[Ș] = K MĮ

(1.2)

Ș: Staudinger-Index K: System-abhängige Konstante M: Molekülmasse Į: Exponent, der von der Form des gelösten Dendrimers abhängt; er kann zwischen 0 und 2 betragen

log (intrinsische Viscosität)

Anders als bei linearen Polymeren wächst die intrinsische Viskosität von Dendrimeren nicht linear (Bild 1-15) mit ihrer Molmasse, sondern erreicht bei einer bestimmten Generation (Grenzgeneration) ein Maximum, um dann bei höheren Generationen wieder abzunehmen (Dendrimer-Effekt). Die intrinsische Viskosität der hyperverzweigten Polymere (Kapitel 4.1.5.4 und 2.7) steigt ebenfalls mit zunehmender Molmasse.[29]

hyperverzweigte Polymere

Dendrimere

3000

4000

5000

log (Molmasse)

Bild 1-15 Intrinsische Viskosität von Dendrimeren – im Vergleich zu Polymeren (schematisch)[10, 30]

Dieses Phänomen ist durch den allmählichen Übergang von einer nahezu offenen Struktur der niederen Generationen der Dendrimere zu einer fast globulären Gestalt der höheren Generationen zu erklären (Bild 1-16).[31]

24

1. Einleitung

Bild 1-16 Zunehmend globuläre Gestalt mit ansteigendem Generationsgrad am Beispiel eines Carbosilan-Dendrimers der 0.-3. Generation (von links nach rechts; nach Frey et al.[31b])

Aus diesem Grund weisen Dendrimere höherer Generationen auch ein kleineres Volumen als entsprechende lineare Polymere auf. Desweiteren zeigen sie ein besseres Lösungsverhalten in organischen Solventien und kristallisieren in der Regel nur schwierig. Dendrimere können aufgrund ihres Molekülbaus in eher starre (z. B. „PolyphenylenDendrimere“; Kapitel 4.1.5) und eher flexible (z. B. POPAM-, PAMAM-Dendrimere; Kapitel 4.1.1 und 4.1.2) unterteilt werden. De Gennes und Hervet gingen in theoretischen Betrachtungen der Molekülstruktur von einem idealen Dendrimer mit ausgestreckten Verzweigungen aus, an dessen Peripherie alle Endgruppen in einer Art „äußerem Ring“ um den Dendrimer-Kern angeordnet sind.[9] Nach diesem Modell sollten Dendrimere im Kern eine geringere Segmentdichte aufweisen, die zur Peripherie hin ein Maximum annimmt. Diese Vorstellung ist als „dichte Schale-Modell“ (engl. dense-shell) bekannt geworden (Bild 1-17).

Bild 1-17 Zur Segmentdichte-Verteilung eines Dendrimer-Moleküls nach dem „dichte Schale-Modell“ (schematisch)

Lescanec und Muthukumar befürworteten in dem von ihnen postulierten „dichter KernModell“ (dense-core) einen gegensätzlichen Verlauf der Segmentdichte-Verteilung.[32] Hier

1.3 Perfektheit, Defekte, Dispersität

25

wird ein Maximum der Dichte am Kern des Dendrimers postuliert und eine Abnahme der Segmentdichte proportional zur Entfernung vom Kern angenommen. Die Abnahme der Segmentdichte in Richtung der Peripherie wird durch eine partielle Rückfaltung (engl. backfolding) von Endgruppen in das Dendrimer-Innere hinein verursacht (Bild 1-18).

Bild 1-18 Zur Segmentdichte-Verteilung im „dichter Kern-Modell“ (schematisch)

Die meisten Untersuchungen teils an Modellmolekülen,[33] aber auch an real existierenden POPAM- und PAMAM-Dendrimeren unterstützen letztere Modellvorstellung.[34] Sorgfältige Untersuchungen der räumlichen Struktur flexibler Dendrimere in Lösung wurden von Ballauff et al. mittels SANS (Small Angle Neutron Scattering) durchgeführt[35] (siehe Kapitel 7.6).

1.3 Perfektheit, Defekte, Dispersität Ein Kriterium zur Klassifizierung dendritscher Moleküle im Hinblick auf ihre Perfektheit ist der von Fréchet et al. definierte Verzweigungsgrad DB (Degree of Branching).[36]

IT + ID DB = IT + ID + IL

(1.3)

IT: Anzahl der (terminalen) endständigen Monomer-Einheiten ID: Anzahl der dendritschen Monomer-Einheiten IL: Anzahl der linearen Monomer-Einheiten Im Gegensatz zu perfekten Dendrimeren mit einem Verzweigungsgrad von 100% zeigen hyperverzweigte Polymere (Kapitel 2.7 und 4.1.5.4) je nach Monomer – beispielsweise ob AB2- oder AB8-Monomere als Edukte eingesetzt wurden – Verzweigungsgrade zwischen 5085%.[37]

26

1. Einleitung

Ab einer bestimmten Dendrimergröße ist mit Erreichen einer Grenzgeneration ein perfekter Aufbau eines Dendrimers nicht mehr möglich. Erfolgt der Dendrimer-Aufbau von innen nach außen (divergent; siehe Abschnitt 2.1), so wächst der für die terminalen Gruppen benötigte Raum mit dem Quadrat des Dendrimer-Radius r. Die Anzahl der Endgruppen steigt jedoch exponentiell mit (Fv-1)G (s. Gl. 1.1). Das heißt, mit jeder hinzukommenden Generation wächst – formal – die Belegung der Oberfläche mit Endgruppen, was zu einer Verdichtung der äußeren Schale(n) des Dendrimers führt.

4ʌ r2 ~ Fläche pro Endgrupppe = Dendrimer-Oberfläche ~ Fk·FvG Zahl der Endgruppen

(1.4)

Fk: Funktionalität des Kerns Fv: Funktionalität der Verzweigungseinheit G: Generation des Dendrimers

Oberfläche pro Endgruppe

Auch wenn die oben erwähnte Rückfaltung peripherer Gruppen berücksichtigt wird, ist deshalb ab einer bestimmten Grenzgeneration (Bild 1-19) eine Weiterreaktion – z. B. eine quantitative chemische Umsetzung der Endgruppen – aufgrund sterischer Effekte behindert, so dass es zu einem fehlerhaften Wachstum kommt. Dieses Phänomen ist auch unter dem Begriff Starburst-Limit-Effekt[9] bekannt. Ideal verzweigte 5. Generationen von PolyethyleniminDendrimeren (PEI)[38] sind nach Tomalia aufgrund von „starburst dense packing“ verboten.[10] Grenzgeneration

Dendrimer-Generation

Bild 1-19 Erreichen der Grenzgeneration beim Dendrimer-Wachstum aufgrund des StarburstGrenzeffekts (schematisch; idealisiert)

1.4 Definition und Einteilung dendritischer Moleküle

27

In direktem Zusammenhang mit der Strukturperfektheit dendritischer Moleküle steht ihre Polydispersität, die in Form ihres Polydispersitäts-Index (PDI) definiert ist und eine Messgröße für die Molekulargewichts-Verteilung darstellt.

PDI = Mw/Mn

(1.5)

Mw entspricht dem Mittel der Molmasse (z. B. durch SedimentationsgleichgewichtsMessungen) Mn gibt das Zahlenmittel der Molmasse wieder (z. B. durch Endgruppen-Bestimmung).[14b, 39] Nimmt der Polydispersitäts-Index (PDI) den Wert 1 an, so wird die Substanz als monodispers bezeichnet. Die Monodispersität gilt als eine Eigenschaft der Cascadane (defektfreie dendritische Moleküle; vgl. Abschnitt 1.4) und nahezu perfekter Dendrimere. Sie ist bisher aufgrund ihres Zugangs über eine iterative Synthesemethode meist auf niedrige Generationen beschränkt. Gelingt es, beim Aufbau eines Dendrimers alle Reaktanden und Nebenprodukte der einzelnen Syntheseschritte immer wieder abzutrennen, so resultieren strukturperfekte Dendrimere. Hingegen ist die Polydispersität ein Charakteristikum hyperverzweigter dendritischer Polymere, deren Ursache in der Bildung von Nebenprodukten infolge von Cyclisierungen und sterischer Hinderung während der Polymerisation liegt. Eine monodisperse Substanz besteht immer aus Molekülen homogener Größe, in polydispersen Verbindungen ist hingegen die Masse der einzelnen Moleküle unterschiedlich (heterogen). In geringem Maße tragen Verzweigungsdefekte zur Polydispersität bei, jedoch wird sie hauptsächlich durch Verknäuelungen, Verbrückungen (Ringbildung) und unregelmäßiges Wachstum verantwortet.

1.4 Definition und Einteilung dendritischer Moleküle Die ersten korrekt dendritisch verzweigten Moleküle wurden als Kaskaden-Moleküle bezeichnet und konnten über eine Kaskaden-Synthese divergent dargestellt werden (Abschnitt 1.1). Dendritische Moleküle (Kaskaden-Moleküle) sind wiederholt (repetitiv) verzweigte Verbindungen, unter deren Oberbegriff sich die Dendrimere gliedern. Letztere weisen meist „fast“ perfekte Strukturen auf und zeigen für monodisperse Verbindungen charakteristische Eigenschaften (siehe auch Abschnitt 1.3). Dendrimere sind hinsichtlich der Molekülmassen der niedermolekularen bis hochmolekularen Chemie zuzurechnen. Cascadane bestehen ausschließlich aus gleichartigen, gleichmassigen Molekülen bei korrekter, regulärer Verzweigung, respektive perfekter, defektfreier Struktur.[40] Dagegen zeigen die hyperverzweigten Verbindungen, die aufgrund ihrer Synthese grundsätzlich nicht perfekt aufgebaut sind, polydisperse Eigenschaften, da sie Moleküle unterschiedlicher Massen enthalten.

28

1. Einleitung

Fungieren Teile von Dendrimeren und Cascadanen als Substituenten oder funktionelle Gruppen von Molekülen, so werden sie Dendrons, beziehungsweise – wenn defektfrei – Cascadons genannt. Bilden Cascadane Wirt/Gast-Komplexe, beispielsweise durch Einlagerung kleinerer Gastmoleküle, so werden diese als Cascadaplexe bezeichnet; entsprechende Komplexe auf Dendrimer-Basis sind Dendriplexe (Bild 1-20).[40]

Bild 1-20 Klassifizierung dendritischer Moleküle[40, 45]

1.5 Nomenklatur dendritischer Moleküle Dendritische Moleküle lassen sich wie andere bekannte (Makro-)Moleküle (z. B. Molekulare Knoten,[41] Catenane, Rotaxane[42] nach den IUPAC-Nomenklaturregeln definieren. Nicht immer sind diese Regeln aber umfassend genug, um sehr komplexe Strukturen wie die dendritischen Moleküle ausreichend, eindeutig und übersichtlich zu benennen.[43]

1.5.1 Newkome-Nomenklatur Auf dem Familiennamen der Kaskaden-Moleküle baute Newkome[44] 1993 eine DendrimerNomenklatur auf. Diese baukastenartig (modular) zusammengesetzte Namensgebung für

1.5 Nomenklatur dendritischer Moleküle

29

dendritische Moleküle und deren Fragmente (Dendrons, Dendryl-/Cascadyl-Substituenten) beginnt mit der Angabe der Anzahl der peripheren Endgruppen, so dass am Beginn des Namens bereits die Vielarmigkeit überblickt werden kann. Gefolgt von der Klassenbezeichnung „Cascade“, werden dann vom „Kern“ ausgehend („divergent“) die einzelnen Zweige aufgezählt (Kohlenstoff- und Heteroatome; Anzahl der Zweige als hochgestellter Index), wobei die einzelnen Generationen durch Doppelpunkte getrennt werden. Anschließend werden die Endgruppen charakterisiert. Die danach gebildeten Namen sind dementsprechend folgendermaßen aufgebaut:

Z-Cascade: Kernbaustein [N Kern]: (Verzweigungseinheit)G : Endgruppen

Z:

(1.6)

Anzahl der Endgruppen

NKern: Kernmultiplizität G:

Anzahl der Generationen mit Verzweigungsbausteinen

Als Beispiel für eine konkrete Namensgebung sei im Bild 1-21 ein POPAM-Dendrimer der 2. Generation angeführt (vgl. Bild 1-14), welches nach Newkome 16-Cascade:1,4diaminobutan[4-N,N,N´,N´]:(1-aza-butyliden)2:aminopropan heißt.

Bild 1-21 POPAM-Dendrimer nach der Newkome-Nomenklatur: 16-Cascade:1,4-diaminobutan[4-N,N,N´,N´]:(1-aza-butyliden)2:aminopropan[45]

30

1. Einleitung

1.5.2 Cascadan-Nomenklatur Bei komplexen Dendrimeren mit unterschiedlichen Verzweigungen oder unterschiedlichen Dendryl-Substituenten an einem nicht dendritischen Gerüst müssen weitere Details im Namen berücksichtigt werden, weshalb kürzlich eine detailliertere „Cascadan-Nomenklatur“ [45] entwickelt wurde, wonach z. B. obiges POPAM folgendermaßen heißt: G1, G 2

1,4-Diaminobutan[N,N,N´,N´]:{4-azabutyl(4,4)} 4 n , 8 n :3-aminopropyl16-cascadan. Dabei werden die Generationen (G1 und G2) mit jeweiliger Anzahl der Verzweigungen (4 bzw. 8) als hoch- und tiefgestellte Indizes leicht ersichtlich. Auch die Anzahl der Endgruppen (16) wird tiefgestellt. Die Klassenbezeichnung Cascadan erscheint am Ende des Namens. In runden Klammern stehen die Nummern (Lokanten 4,4) der beiden Verzweigungsatome. Solche Nomenklaturen sind naturgemäß wegen der komplexen Molekülstrukturen nicht unkompliziert und erfordern viele Regeln, aber sie erlauben – anders als die IUPAC-[46] oder die Nodal-Nomenklatur[47] – aufgrund ihres Baukasten-Aufbaus ein rascheres Erkennen einzelner wichtiger Charakteristika (Generationszahl, Anzahl der Endgruppen), was sowohl im Laboralltag als auch bei Computer-Recherchen Vorteile bietet. Die einzelnen Regeln seien hier auf das Wesentlichste reduziert; für genauere Informationen wird auf die Originalliteratur[45] verwiesen. 1. Regel: Dendritische Strukturen bestehen aus selbstähnlichen Einheiten (Fraktale). 2. Regel: Eine dendritische Struktur besteht aus einer Kerneinheit und einer dendritischen Einheit. 3. Regel: Enthält ein Molekül eine oder nur verschiedene dendritische Struktur(en), werden die dendritischen Strukturen (= Dendrons) als Substituenten behandelt und erhalten das Suffix -cascadyl. Sind in einem Molekül mindestens zwei Dendrons gleich, erhält es im Namen das Suffix -cascadan (Bild 1-22).

Bild 1- 22 Cascadyl (links), Cascadan (rechts)[45]

1.5 Nomenklatur dendritischer Moleküle

31

4. Regel: Das Auflisten mehrerer unterschiedlicher Dendrons beginnt mit demjenigen Dendron, das die längste Kette in der ersten Generation besitzt. Bei Gleichheit entscheidet die nächste Generation. 5. Regel: Der Name der Kerneinheit in Dendrimeren wird von der kürzesten unverzweigten Kette abgeleitet, welche die gleichen Dendrons miteinander verbindet. Die Positionen, an denen die Dendrons an die Kerneinheit gebunden sind, werden in runden Klammern hinter dem Namen der Kerneinheit aufgeführt (Bild 1-23).

Bild 1-23 5-(A-methyl)-3-B-1-(C-methyl)-2-(D2-cascadyl)-hexan(1,6)[45]

6. Regel: Die Gerüstatome in den Ästen werden von innen nach außen nummeriert, wobei die innen liegende Verzweigung nicht mitgezählt wird. Die Länge der Kette stellt die kürzeste Verbindung zwischen den Verzweigungsstellen dar. 7. Regel: Mit jeder Verzweigungseinheit wird eine Generation abgeschlossen. Die Endgruppen [Suffix (end)] bilden keine Generation. 8. Regel: Dem Namen der Kerneinheit folgen die Namen der Gerüsteinheiten. Diese stehen in geschweiften Klammern. Hinter dem geschweiften Klammerterm steht als Exponent die Ordnungszahl der Generation, als Index die Summe der Gerüsteinheiten gefolgt von einem „n“ in der entsprechenden Generation. Die einzelnen Generationen werden durch Doppelpunkte voneinander und von den Endgruppen getrennt. Die Anzahl der Endgruppen wird durch einen Index angegeben.

32

1. Einleitung end

end

end

end

Zweig B

Zweig B

2. Generation

1. Generation e Zw

end

i

gB

Zw

e ig

A

Zw

eig

A

Zw

e ig

end

B

end

end

Kern

Bild 1-24 Dendritische Einheit

Der Name dieses Beispiels (Bild 1-24) lautet also (allgemein): G1

„Kern (1,1) :{Zweig A (A,A)} 2 n : {Zweig B (B,B)}

9. Regel:

G2 4n

: end8-cascadan”

Wiederholt sich eine Einheit in mehreren Generationen, werden diese durch Kommata getrennt in den Exponenten hinter der geschweiften Klammer aufgelistet. In analoger Reihenfolge wird die Anzahl der Gerüsteinheiten in den entsprechenden Generationen geschrieben.

10. Regel: Kommen Wiederholungen nicht direkt aufeinander folgender Generationen vor, werden diese wie in der 9-ten Regel beschrieben aufgeführt. Der Term, der die Generation beinhaltet, welche die dendritische Struktur abschließt, steht unmittelbar vor den Endgruppen. 11. Regel: Sind verschiedene Gerüsteinheiten symmetrisch in einer Generation verteilt, beinhaltet der Term in den geschweiften Klammern ihre Namen, die in spitze Klammern geschrieben und nach zunehmender Kettenlänge sortiert werden. Hinter den spitzen Klammern steht als Index, gefolgt von einem „n“, die Anzahl der Wiederholungen. Der Index hinter den geschweiften Klammern gibt die Summe der Gerüsteinheiten in der Generation wieder. Sind die verschiedenen Gerüsteinheiten nicht symmetrisch im Gerüst verteilt, muss das Gerüst in kleinere Dendrons zerlegt werden. Ist eine genaue Ortsangabe der Gerüsteinheiten erforderlich, werden die entscheidenden Verzweigungsstellen mit Exponenten verse-

1.5 Nomenklatur dendritischer Moleküle

33

hen. Bei gleichen Verzweigungseinheiten werden diese durch Schrägstriche voneinander getrennt. Diese Verzweigungsstellen werden dem Namen der an sie geknüpften Gerüsteinheit der Folgegeneration vorangestellt. Kommt eine Gerüsteinheit mehrfach vor, werden dem Namen alle Bindungsstellen an die vorhergehende Generation vorangestellt. Die Summe der Wiederholungen steht als Index, gefolgt von einem „n“ hinter der eckigen Klammer. 12. Regel: Aren-Einheiten werden in Anlehnung an die Nodal-Nomenklatur[47] als ein Kettenglied gezählt. Die Ringatome werden nach den IUPAC-Regeln nummeriert.

Die Namen enthalten damit folgendes allgemeine Aussehen: G1

Kern(a,b):{3n f
D(x,x)>} 4 n : end8-cascadan Zur Veranschaulichung seien weitere Beispiele der Cascadan-Nomenklatur gegeben. Für weitere Erläuterungen und Regeln wird auf die Originalliteratur verwiesen.[45]

Bild 1-25 Zweite Generation eines PAMAM-Dendrimers[45]

34

1. Einleitung

Nach der Cascadan-Nomenklatur heißt das in Bild 1-25 gezeigte PAMAM-Dendrimer der zweiten Generation: G1, G 2

1,4-Diaminobutan[N,N,N´,N´]:{4,7-diaza-3-oxoheptyl(7,7)} 4 n , 8 n :3-aminoethyl16-cascadan. OH

OH

HN

O

OH HO

H N

HO

OH OH

N OH O

HO

2 1

4 3

5 HO HO

H N

O

O

2´ NH 3´ 1

HO HO

HO

O O HN

1

OH

OH OH OH

HO

O

5 1´

HO

NH H N

O

2O 4 3

OH OH

O

O

6

OH

OH

OH

OH

HN

OH

OH

2

G1

G2

Bild 1-26 Hexan(1,1,1):{2-oxapentyl(3,3,3)} 3 n :{1-oxo-2-azapropyl(3,3,3)} 9 n :hydroxymethyl27cascadan[45]

Br

Br

Br

Br

Br

Br

Br

Br

Br Br

O

OO

O O

O

Br Br

OO

O

O O

O

O

O

O Br

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X

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OO

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O O X

X X

X X X X

X

X

X

G1, G 2 , G 3, G 4

Bild 1-27 Für X = H: 1-(Phenyl (4´):{1-oxa-3-(phenyl-3´,5´-diyl)propyl(3´,5´)} 1n , 2 n , 4 n , 8 n : (1-oxa4´-brombenzyl)16-cascadyl)ethan-1,1-dibenzenol(4´´,4´´´):{1-oxa-3-(phenyl-3´,5´-diyl) G1, G 2 , G 3, G 4

propyl(3´,5´)} 2 n , 4 n , 8 n ,16 n :(1-oxa-benzyl)32-cascadan[45]

Literaturverzeichnis und Anmerkungen zu Kapitel 1

35

Literaturverzeichnis und Anmerkungen zu Kapitel 1 „Einleitung“ Übersichtsartikel sind durch ein vorgestelltes fett gedrucktes Übersicht(en) bzw. Buch (Bücher) gekennzeichnet. [1] E. Buhleier, W. Wehner, F. Vögtle, Synthesis 1978, 155-158. [2] Der Begriff „Kaskade“ wurde gewählt, weil er Analogien zu der sich immer wiederholenden Verzweigung der Molekülarme zeigt, etwa zu der Wasserkaskade eines Brunnens, in dem von dem oberen kleineren Wasserbecken zu den zunehmend größeren unteren die Anzahl der „Wasserfälle“ – im vom Konstrukteur steuerbaren Ausmaß – immer mehr zunimmt. [3] Mit einiger Berechtigung hätte man diesen Molekültyp damals schon als dendritisch (s. Titel dieses Buchs) bezeichnen können, in Anspielung auf entsprechende Nervenzellen, die allerdings eher statistische Verzweigungen aufweisen. Von entsprechenden Baumverästelungen ausgehend leitete Tomalia einige Jahre später den Begriff „Dendrimere“ ab.[12] Wir selbst benutzten später diese neue Bezeichnung gleichsinnig mit „Kaskaden-Moleküle“, da sie aufgrund der Angew. Chem.-Übersicht[10] wohl einprägsamer war und auch von anderen übernommen wurde. Obwohl es Tendenzen gibt, den Namen Dendrimere eher für hochmolekulare Substanzen zu reservieren[39a], verwenden wir die beiden Begriffe gleichlautend: Unseres Erachtens sind dendritische Moleküle keineswegs auf die Polymerchemie beschränkt, wie die Endsilbe des Names Dendrimere suggerieren könnte, sondern spielen eine große Rolle in der niedermolekularen Chemie, die in Zukunft noch zunehmen dürfte, wenn Synthese und Analytik weiter fortgeschritten sind. Nichtsdestotrotz nutzten Newkome 1993[44] und wir selbst 2006[45] die hierfür besser geeignet erscheinende Stammsilbe „cascade“ zum Aufbau einer Nomenklatur für alle dendritischen Verbindungen. [4] Bemerkenswerterweise fand diese Publikation damals und Jahre danach keinerlei Beachtung oder gar Resonanz, noch wurden historische Prioritäts-Ansprüche angemeldet. Der in Lit.[1] zusätzlich enthaltenen makrocyclischen iterativen Variante („Schneeketten-artige Moleküle“; non-skid-chain like molecules) ist dieses Schicksal bis heute nicht erspart geblieben. [5] Übersicht über repetitive/iterative Synthesen: N. Feuerbacher, F. Vögtle, Top. Curr. Chem. 1998, 197, 2-18; Y. Zhao, R. R. Tykwinski, J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 458-459; P. A. Jacobi, H. Liu, J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 1958-1959; A. Boydston, Y. Yin, B. L. Pagenkopf, J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 10350-10354. [6] F. Vögtle, E. Weber, Angew. Chem. 1974, 86, 896-898; Angew. Chem. Int. Ed. 1974, 13, 814-816; F. Vögtle, H. Sieger, W. M. Müller, J. Chem. Research (S) 1978, 398-399; Übersicht: F. M. Menger, Top. Curr. Chem. 1986, 136, 1-16. [7] R. G. Denkewalter, J. F. Kolc, W. J. Lukasavage, in U.S. Pat. 4. 360.646, 1979, R. G. Denkewalter, J. F. Kolc, W. J. Lukasavage, in U.S. Pat. 4.289.872, 1981; Denkewalter, J. F. Kolc, W. J. Lukasavage, in U.S. Pat. 4.410.688, 1983. [8] M. Maciejewski, Macromol. Sci. Chem. 1982, A17, 689-703. [9] P.-G. de Gennes, H. Hervet, J. Phys. Lett. Fr. 1983, 44, L351-L361. [10] Übersicht: D. A. Tomalia, A. Naylor, W. A. Goddard III, Angew. Chem. 1990, 102, 119-157; Angew. Chem. Int. Ed. 1990, 29, 138-175. [11] P.-G. de Gennes, Angew. Chem. 1992, 104, 856-857; Angew. Chem. Int. Ed. 1992, 31, 842-845. [12] D. A. Tomalia H. Baker, J. Dewald, M. Hall, G. Kallos, S. Martin, J. Roeck, J. Ryder, P. Smith, Macromolecules 1986, 19, 2466-2468. [13] D. A. Tomalia, H. Baker, J. R. Dewald, M. Hall, G. Kallos, S. Martin, J. Roeck, J. Ryder, P. Smith, Polym. J. 1985, 17, 117-132. [14] a) G. R. Newkome, Z.-Q. Yao, G. R. Baker, V. K. Gupta, J. Org. Chem. 1985, 50, 2003-2004, b) Buch: G. R. Newkome, C. N. Moorefield, F. Vögtle, Dendrimers and Dendrons, Wiley-VCH, Weinheim, 1. Auflage 2001. [15] C. Hawker, J. M. J. Fréchet, J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1990, 1010-1013. [16] T. M. Miller, T. X. Neenan, Chem. Mater. 1990, 2, 346-349.

36

1. Einleitung

[17] P. J. Flory, J. Am. Chem. Soc. 1941, 63, 3091-3100; 1952, 74, 2718-2723. [18] Kurzübersicht: M. Freemantle, Science/Technology 1999, 77, 27-35. [19] Bücher: a) Weitere Verzweigungen in der Natur siehe auch G. Pölking, Schöpfungsdesign, Tecklenburg, Steinfurt 2006; b) B. H. Kaye, A Random Walk Through Dimensions, VCH-Verlagsgesellschaft, Weinheim 1994. [20] Übersichten: M. Žiniü, F. Vögtle, F. Fages Top. Curr. Chem. 2005, 256, 39-76; F. Fages, F. Vögtle, M. Žiniü Top. Curr. Chem. 2005, 256, 77-131, dort weitere Literaturangaben. [21] a) K. Autumn, V. A. Liang, S. T. Hsieh, W. P. Chan, T. W. Kenny, R. Fearing, R. J. Full, Nature 2000, 405, 681685; b) E. Pennisi, Science 2000, 288, 1717-1718; c) S. Gorb, J. Royal Soc. Interface (DOI: 10.1098/rsif.2006.0164). [22] R. Haag, F. Vögtle, Angew. Chem. 2004, 116, 274-275; Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 272-273. [23] K. Hien, Laborjournal 1-2/2004, 32-34; K. Autumn, R. Full, GEO Magazin 10/2000; J. Kahn, M. Thiessen, K. Eward, National Geographic Deutschland, Juni 2006. [24] Design: Roman & Erwan Bouroullec. [25] a) Foto von F. Vögtle; siehe auch Generalanzeiger, Bonn, 12.03.07; b) U. Hahn, G. Pawlitzki, F. Vögtle, Juni 2001; DFG-Kalender, Hrsg. Deutsche Forschungsgemeinschaft, Bonn 2003. [26] Bücher: B. B. Mandelbrot, The Fractal Geometry of Nature; W. H. Freeman and Company, New York, 1982; G. Binnig, Aus dem Nichts. Piper, München, 4. Aufl. 1992; H.-O. Peitgen, P. H. Richter, The Beauty of Fractals. Springer, Berlin 1986; H.-O. Peitgen, H. Jürgens, D. Saupe, Chaos and Fractals. Springer, Berlin 1992; B. Kaye, Chaos and Complexity. VCH, Weinheim 1993. [27] W. Sierpinski, C. R. Acad. Paris 1915, 160, 302-305. [28] Wir danken Dr. Jörg Friedhofen, Kekulé-Institut der Universität Bonn, für die Ausführung dieser Graphiken. [29] Übersicht: C. J. Hawker, J. M. J. Fréchet, Step-Growth-Polymers for High Performance Materials (Hrsg. J. L. Hedrick, J. W. Labadie), Oxford Press, Oxford 1996, Kapitel 7; M. Seiler, Chem. Eng. Technol. 2002, 3, 237-253; Vergleich der thermosensitiven Eigenschaften von POPAM-Dendrimeren und linearen Analoga: Y. Haba, C. Kojima, A. Harada, K. Kono, Angew. Chem. 2007, 119, 238-241; Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 234-237. [30] E. M. M. de Brabander-van den Berg, E. W. Meijer, Angew. Chem. 1993, 105, 1370-1372; Angew. Chem. Int. Ed. 1993, 32, 1308-1311; T. H. Mourey, S. R. Turner, M. Rubinstein, J. M. J. Fréchet, C. J. Hawker, K. L. Wooley, Macromolecules 1992, 25, 2401-2406. [31] a) Übersichten: A. W. Bosman, H. M. Janssen, E. W. Meijer, Chem. Rev. 1999, 99, 1665-1688; R. Hourani, A. Kakkar, M. A. Whitehead, J. Mater. Chem. 2005, 15, 2106-2113; b) H. Frey, K. Lorenz, C. Lach, Chem. unserer Zeit 1996,75-85 [32] L. Lescanec, M. Muthukumar, Macromolecules 1990, 23, 2280-2288. [33] M. L. Mansfield, L. I. Klushin, Macromolecules 1993, 26, 4262-4268; M. L. Mansfield, Polymer 1994, 35, 1827-1830; D. Boris, M. Rubinstein, Macromolecules 1996, 29, 7251-7260; N. W. Suek, M. H. Lamm, Macromolecules 2006, 39, 4247-4255. [34] A. M. Naylor, W. A. Goddard III, G. E. Kiefer, D. A. Tomalia, J. Am. Chem. Soc. 1989, 111, 2339-2341; R. Scherrenberg, B. Coussens, P. van Vlief, G. Edouard, J. Brackmann, E. de Brabander, K. Mortensen, Macromolecules 1998, 31, 5892-5897. [35] M. Ballauff, C. N. Likos, Angew. Chem. 2004, 116, 3060-3082; Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 2998-3020; Übersicht: M. Ballauff, (Bandhrsg. F. Vögtle), Top. Curr. Chem. 2001, 212, 177-194; C. N. Likos, M. Schmidt, H. Löwen, M. Ballauff, D. Pötschke, P. Lindner, Macromolecules 2001, 34, 2914-2920; S. Rosenfeldt, N. Dingenouts, M. Ballauff, P. Lindner, N. Werner, F. Vögtle, Macromolecules 2002, 35, 8098-8105; dort Hinweise auf weitere Arbeiten anderer Autoren; S. Rosenfeldt, E. Karpuk, M. Lehmann, H. Meier, P. Lindner, L. Harnau, M. Ballauff, ChemPhysChem. 2006, 7, 2097-2104. [36] C. J. Hawker, R. Lee, J. M. J. Fréchet, J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 4583-4588. [37] E. Malmström, M. Johansson, A. Hult, Macromolecules 1995, 28, 1698-1703; Y. Ishida, A. C. F. Sun, M. Jikai, M. Kakimoto, Macromolecules 2000, 33, 2832-2838; P. Bharathi, J. S. Moore, Macromolecules 2000, 33, 3212-3218. [38] Vgl. PPI in Kapitel 4, Bild 4-1; Tauscht man in letzterer Formel die Propano- durch Ethano-Gruppen aus, so erhält man das entsprechende PEI dritter Generation.

Literaturverzeichnis und Anmerkungen zu Kapitel 1

37

[39] Bücher: a) J. M. J. Fréchet, D. A. Tomalia, Dendrimers and Other Dendritic Polymers, Wiley, Chichester 2001; b) G. R. Newkome, C. N. Moorefield, F. Vögtle, Dendrimers and Dendrons: Concepts, Syntheses, Applications, Wiley-VCH, New York, Weinheim 2001. [40] Auf diesem Gebiet zwischen Polymer- und niedermolekularer Chemie fehlte unserer Ansicht nach bisher eine Unterscheidung zwischen idealen, defektfreien dendritischen Molekülen, für die wir deshalb die konkrete Bezeichnung „Cascadane“ vorschlagen, sowie den mehr oder weniger defektfreien (monodispersen) „Dendrimeren“ und den polydispersen, unperfekten „hyperverzweigten Verbindungen“. Dies auch deshalb, weil in der niedermolekularen Chemie reinste Substanzen immer schon besonders wichtig waren, und weil es auch für die Nomenklatur notwendig ist, ein einzelnes Molekül zu benennen. [41] O. Safarowsky, B. Windisch, A. Mohry, F. Vögtle, J. Prakt. Chem. 2000, 342, 337-342; Übersicht: F. Vögtle, O. Lukin, Angew. Chem. 2005, 117, 2-23; Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 2-23. [42] Neue IUPC-Empfehlungen für Rotaxane: A. Harada, W. V. Metanomski, G. P. Moss, E. S. Wilks, A. Yerin, „Nomenclature of Rotaxanes“, International Union of Pure and Applied Chemistry, Project 2002-007-1-800. [43] In diesem Studienbuch kann nicht auf weitere Details der Dendrimer-Nomenklatur eingegangen, sondern nur auf grundlegende Regeln hingewiesen werden, um Verständnis für die Probleme und notwendige Komplexität zu wecken. Mit Hilfe der Literaturangaben (s. Lit. [45]) können jedoch Namen für bestimmte Formeln – und umgekehrt – entwickelt werden. [44] G. R. Newkome, G. R. Baker, J. K. Young, J. G. Traynham, J. Polym. Sci. A.,Polym. Chem. 1993, 31, 641-651; G. R. Newkome, G. R. Baker, Polym. Preprints 1994, 35, 6-9. [45] J. H. Friedhofen, F. Vögtle, New J. Chem. 2006, 30, 32-42. [46] Übersicht: International Union for Pure and Applied Chemistry, Nomenclature of Organic Chemistry Sections A, B & C, Butterworth, London 1971. [47] Übersicht: N. Lozac’h, A. L. Goodson, W. H. Powell, Angew. Chem. 1979, 91, 951-1032; Angew. Chem Int. Ed. 1979, 18, 887-899, N. Lozac’h, A. L. Goodson, Angew. Chem. 1984, 96, 1-15; Angew. Chem Int. Ed. 1984, 23, 33-46.

2. Synthesemethoden für dendritische Moleküle Zum Aufbau von Dendrimer-Architekturen gibt es vielfältige Möglichkeiten. Wichtige Ziele in der Vergangenheit waren, einerseits Routinemethoden für gut zugängliche DendrimerGerüste für die Allgemeinheit zugänglich zu machen, wie es mit den POPAM- und PAMAMDendrimeren sowie den Frechét-Dendrons geglückt ist (s. Kapitel 4). Weitere DendrimerTypen wurden zwar nicht so oft von anderen Gruppen bearbeitet, aber das Potenzial dazu ist vorhanden. Andererseits ist es wichtig und wünschenswert, an solchen gut zugänglichen und zum Teil kommerziellen Dendrimeren neue Verzweigungsgenerationen aufzubauen, sie mit neuer Funktionalisierung, mit Poren oder mit gezielten Eigenschaften (Löslichkeit, Aggregationsverhalten, Philie, Lumineszenz, Rigidität, Rückfaltung, Chiralität, Gastaufnahme, Gelbildung usw.) zu versehen. Ein Wunschtraum ist nach wie vor ein gut verfügbares „synthetisches Baukastensystem“ für Dendrimere, aus dessen „Schubladen“ unschwer bestimmte Edukte und Zwischenstufen – als Module – entnommen werden können, die in gut beschriebenen Standardschritten weiterverarbeitet und zu neuen Molekülstrukturen mit neuen Eigenschaften kombiniert werden können. Trotz der vielen synthetischen Dendrimer-Beiträge, die bisher publiziert wurden, sind in dieser Hinsicht noch viele Wünsche offen. Es besteht nach wie vor Bedarf an höheren Generationsgraden aller Dendrimer- und Dendron-Typen als bisher sowie an ergiebigen Synthesen für bestimmte Dendrimer-Familien und für deren gezielte Mono-, (regioselektive) Oligo- und Vielfach-Funktionalisierung – auch mit unterschiedlichen Substituenten – im einzelnen Dendrimer-Molekül. In diesem Kapitel werden die generellen Synthesestrategien schematisiert vorgestellt, um später im Kapitel 4 an Hand von konkreten Beispielen detailliert zu werden. Die überwiegende Zahl der betrachteten Synthesen wird in einem allgemeinen „KFS-Konzept“ erläutert: Die Kupplungsstellen sind mit K (in einer roten Kugel), die Funktionellen Endgruppen mit F (in einer grünen Kugel) gekennzeichnet. Werden die jeweiligen Gruppen in ihrer geschützten Form in die Reaktion eingebracht, so wird die entsprechende Farbcodierung beibehalten und die geschützte Funktionalität anschließend mit S charakterisiert.

2.1 Divergente Synthese Die Synthese eines Dendrimers nach der divergenten Methode (Bild 2-1) erfolgt schrittweise ausgehend von einem multifunktionalisierten Kernbaustein, an dessen reaktive Kupplungsstellen K neue Verzweigungseinheiten in Form von dendritischen Ästen über eine reaktive Endfunktionalität F angeknüpft werden. Andere funktionelle Gruppen der Verzweigungseinheit sind hierbei geschützte Kupplungsstellen und werden im Folgenden mit S symbolisiert. Nach dem ersten Reaktionsschritt werden die geschützten funktionellen Gruppen S entschützt (aktiviert) und dienen so als neue reaktive Kupplungsstellen K für weitere Verzweigungseinheiten. Mit jeder Verzweigungseinheit wird eine neue Dendrimer-Generation aufgebaut. Die repetitive (iterative) Synthesesequenz bestehend aus dem Aufbau, in dem die Verknüpfung einer Verzweigungseinheit mit zwei weiteren Einheiten (1ĺ2 Verzweigung) erfolgt, sowie dem Aktivierungsschritt, in dem jeweils eine höhere Generation aufgebaut wird, lässt das Dendrimer von innen nach außen wachsen.

2.2 Konvergente Synthese

39

Vorteilhaft bei der – historisch zuerst entwickelten[1] – divergenten Methode ist die erzielbare hochmolekulare (Nano-)Gerüstarchitektur, sowie die Möglichkeit der Automatisierung der sich wiederholenden Schritte. Deshalb ist die divergente Synthese auch die Methode der Wahl für die – kommerziell erhältlichen – POPAM- und PAMAM-Dendrimere (s. Kapitel 4.1). Ein gewisser Nachteil dieser Synthesemethodik liegt in der exponentiell ansteigenden Zahl der funktionellen Endgruppen (KǜMn; siehe Kapitel 1.2), da sie nicht immer quantitativ umgesetzt werden können und dadurch Strukturdefekte entstehen. Selbst durch Zugabe größerer Überschüsse an Reaktanden können solche Defekte bei höheren Generationen nicht immer vermieden werden. Darüber hinaus bereitet die Aufreinigung und Abtrennung der Strukturperfekten von fehlerhaften Dendrimeren Probleme, da sich ihre Eigenschaften sehr ähneln. Die ersten bekannten Synthesen dendritischer Moleküle verliefen divergent und wurden von den Arbeitsgruppen Vögtle,[1] Denkewalter,[2] Tomalia[3] und Newkome[4] genutzt.

+ B K

3

S

S

S

K

K

a) Kupplung

S

a) Kupplung S

S

6 F

K

K

S

S S

S

b) Aktivierung

K

K

K

S

S

K

K

S

S

S

S

b) Aktivierung

S

S

K

K S

S

F

S

S

K

K

K

K

K K

K

K

K

Bild 2-1 Divergente Synthesemethode. K = Kupplungsstelle; F = aktive, ungeschützte Funktionelle Gruppe; S = geschützte, inaktive (Schutzgruppen-)Funktionalität. Der Dendrimer-Kern ist als schwarzer zentraler Punkt symbolisiert. Die Schritte a) Kupplung und b) Aktivierung markieren jeweils ein repetitives Schrittpaar zum Aufbau der nächsten Generation

2.2 Konvergente Synthese Die konvergente Synthese-Strategie geht den umgekehrten Weg von der Peripherie zum Kern, also von „außen nach innen“. (Funktionalisierte) Dendrimer-Teilstücke („Dendrons“) werden an die an einen fokalen Punkt geknüpften reaktiven Endgruppen einer multifunktionellen Kerneinheit gebunden. Die schematische KFS-Symbolik wird auch hier zur Veranschaulichung des Syntheseprinzips herangezogen (Bild 2-2).

40

2. Synthesemethoden für dendritische Moleküle

Die Kupplung einer aktiven (ungeschützten) funktionellen Endgruppe F, die noch zwei geschützte Kupplungsstellen S (in roter Kugel) trägt, mit einer Verzweigungseinheit aus zwei aktiven Kupplungsstellen K sowie einer inaktiven (geschützten) funktionellen Gruppe S (in grüner Kugel) führt zu einem Dendrimer/Dendron der ersten Generation (Schritt a). Für einen weiterführenden Aufbau zur nächsten Dendron-Generation kann die inaktive Gruppe S dieses G1-Dendrons aktiviert werden (Schritt b), so dass – in Bild 2-2 nicht gezeigt – eine weitere Verzweigungseinheit mit zwei aktiven Zentren K und einer inaktiven funktionellen Gruppe S entsteht. Die Schritte können repetiert werden, bis zuletzt alle segmentförmigen Dendrons der gewünschten Generation – wie Tortenstücke – mit einem oligo-funktionellen Kernbaustein (z. B. „K3“ in Bild 2-2) zum gewünschten Dendrimer höherer Generation reagieren. Diese Synthesevariante hat den Vorteil, dass sie aufgrund der geringen Anzahl reaktiver Endgruppen nicht die – bei der divergenten Syntheseroute öfters beobachteten – Strukturdefekte zur Folge hat (z. B. fehlende Zweige bei höheren Generationen). Auch kann bei dieser Synthesemethode mit äquimolaren Mengen – ohne große Überschüsse – gearbeitet werden, was die präparative Aufarbeitung erleichtert. Die anfallenden Nebenprodukte – auf Grund unvollständiger Umsetzung sperriger Dendrons mit der Verzweigungseinheit – unterscheiden sich gravierend in ihrer Molmasse und können – besser als bei der divergenten Synthese – nach jedem Schritt abgetrennt werden. Den Dimensionen des Dendrimer-Wachstums sind jedoch durch die sterische Hinderung bei der Reaktion der Dendrons an der Peripherie Grenzen gesetzt, weshalb über diese AufbauStrategie hauptsächlich Dendrimere niedriger Generationen dargestellt wurden.[5] Die divergente und konvergente Synthese ergänzen sich daher in gewissem Sinn. S 2

K

S

S

K

S

S

S

a) Kupplung

S

S

S

b) selektive Aktivierung

S

+ F

S

S

S S

K

K B K "

K3"

a) Kupplung mit 3

S F

K

S

S

S

S

F

S

S

S

S

S S

S

S

K

K

S

b) Aktivierung

K

K

K

K

K K

K

K

K

Bild 2-2 Konvergente Synthesemethode (K = Kupplungsgruppe; F = Funktionelle Gruppe; S = Schutzgruppe)

Die konvergente Synthesestrategie eignet sich gut zur Herstellung makromolekularer Architekturen wie der „Segment-Blockdendrimere“ (segmented-block dendrimers), die entweder

2.3 Neuere Synthesemethoden

41

gleiche oder unterschiedliche Generationen von Dendrons tragen, aber mit unterschiedlichen Molekülgerüsten an eine Kerneinheit geknüpft wurden. Dieser Dendrimer-Typ ist auf Grund seiner Multifunktionalität von Interesse. Im Falle der „Oberflächen-Blockdendrimere“ (surface-block dendrimers) weist die Dendrimer-Peripherie unterschiedliche Funktionalitäten in definierten Molekülsegmenten auf. Ihr Aufbau erfolgt, indem Dendrons, die sich in der Art ihrer terminalen Funktionalitäten unterscheiden, an eine gemeinsame Kerneinheit gekoppelt werden (vgl. Kapitel 3.2.1).[6, 10]

2.3 Neuere Synthesemethoden 2.3.1 Orthogonale Synthese Bei der orthogonalen Synthese[7] werden alternierend zwei verschiedene Verzweigungseinheiten mit komplementären Kupplungsfunktionen verwendet und es wird auf den Aktivierungsschritt verzichtet[8]. Die gewählten Reaktanden müssen ebenso wie das resultierende Kupplungsprodukt gegenüber den darauffolgenden Reaktionsbedingungen inert sein. Orthogonal bedeutet, dass die Funktionalitäten gegenüber den Kupplungsbedingungen zunächst inert sind, für gewünschte Folgereaktionen-Kupplungen aber in situ aktiviert werden können (Bild 2-3). Wenn dies gewährleistet ist, kann der Aufbau des Dendrimers divergent oder konvergent in weniger Reinigungsschritten erfolgen.[9] a) in situ Aktivierung

a) in situ Aktivierung

S

K

b) 2

K

S

S

K

b) 4

K S

S

Bild 2-3 Orthogonale Synthesemethode (K = Kupplungsgruppe; S = Schutzgruppe). Bei der in situ Aktivierung wird S vorübergehend in F (= Funktionelle Gruppe) umgewandelt, die spontan weiterreagiert

Die Methode der orthogonalen Kupplung ist jedoch bis heute nicht sehr verbreitet, weil die verwendeten Bausteine hohen strukturellen Anforderungen genügen müssen.[10] Spindler und Fréchet konnten als erste – ausgehend von 3,5-Diisocyanato-benzylchloriden und 3,5Dihydroxybenzylalkohol in einer Eintopfsynthese ein Polyethercarbamat-Dendron der dritten Generation herstellen.[8] Zimmerman et al. wandten die orthogonale Kupplung erstmals auf Synthesen von Dendrimeren höherer Generation an.[9]

2.3.2 Konvergente Zweistufenmethode Diese neuere Variante (double-stage convergent method) vereint die konvergente und divergente Methode. Ihr signifikanter Schritt beruht auf der Kupplung eines via konvergenter

42

2. Synthesemethoden für dendritische Moleküle

Synthese aufgebauten kleineren Dendrons mit einer aktiven funktionellen Gruppe F am fokalen Punkt, an ein durch divergente Synthese dargestelltes, multifunktionales Dendrimer niedriger Generation mit peripheren Kupplungsstellen K, dem Hyperkern (hypercore) (Bild 24).[11,12]

K

+

6

F

K K

K

- 6 FK

K

K

Hyperkern

Bild 2-4 Konvergente Zweistufenmethode (K = Kupplungsgruppe, F = Funktionelle Gruppe)

Im Vergleich zur herkömmlichen konvergenten Synthese verspricht die Zweistufen-Methode einen raschen Zugang zu monodispersen Dendrimeren höherer Generationen, verbunden mit einem sprunghaften Anstieg der endständigen Funktionalitäten, da die OberflächenFunktionalitäten des Hyperkerns im Gegensatz zu den einfachen nicht dendritischen Kernbausteinen der konventionellen konvergenten Synthese weniger sterisch gehindert sind. Zudem ermöglicht diese Vorgehensweise den Aufbau von Dendrimeren mit unterschiedlichen inneren und äußeren Verzweigungseinheiten (Schicht-Blockdendrimere).[10, 13]

2.3.3 Doppelt-exponentielle Methode Prinzipiell ist die doppelt-exponentielle Methode als eine konvergente Aufbaustrategie eines Dendrons anzusehen[14]. Sie nutzt die Synthese in zwei Richtungen, zur Peripherie und zum fokalen Punkt hin: Ausgehend von einer vollkommen geschützten Verzweigungseinheit, bestehend aus zwei geschützten Kupplungsstellen K und einer geschützten Funktionalität F, werden jeweils durch selektive Entschützung in der einen Verzweigungseinheit die funktionelle Gruppe F und in der zweiten Verzweigungseinheit die beiden Kupplungsstellen K aktiviert. Reagieren nun zwei Verzweigungseinheiten mit aktiven Gruppen F (in Bild 2-5 grün markiert) mit einer solchen mit zwei aktiven Kupplungsstellen K (rot markiert), so entsteht ein Dendron der zweiten Generation. Iteration der Synthesesequenz führt zum entsprechenden Dendron der vierten Generation. Der Zugang eines Fréchet-Dendrons vierter Generation kann so um eine Stufe verkürzt werden, da bei dieser Methode ein Dendron der ersten Generation – durch Verdopplung der Generationsgrade – nicht gebildet werden kann.

2.3 Neuere Synthesemethoden

43 S

S S

S

(2x)

F

a) selektive Entschützung

S

S

b) Reaktion S c) Entschützung

S

S K

F

K S

S

S

S

S

S S S S S (4x)

F

a) selektive Entschützung

K

b) Reaktion c) Entschützung

K

K

S S

S S S S S

S S S

K

S

F

F

Bild 2-5 Doppelt-exponentielle Methode (K = Kupplungsgruppe, F = Funktionelle Gruppe; S = Schutzgruppe)

2.3.4 Hypermonomer-Methode Gegenüber den üblichen FK2-oder FK3-Monomeren erhöht sich mit monomeren FK4Synthesebausteinen, den Hypermonomeren, die Anzahl der Endgruppen rascher (1ĺ4Verzweigung), jedoch bleibt die Zahl der für den Aufbau eines Dendrimers benötigten Syntheseschritte verglichen mit den herkömmlichen Darstellungsmethoden gleich. Reduziert auf das einfache KFS-Schema kann der Verlauf der Synthese wie folgt beschrieben werden (Bild 2-6): Vier Verzweigungseinheiten mit einer aktiven funktionellen Gruppe F werden mit den aktiven Kupplungsgruppen K des Hpermonomers FK4 zur Reaktion gebracht, wobei die funktionelle Gruppe F im Hypermonomer selbst desaktiviert ist und deshalb (in Bild 2-6) mit S für „geschützt“ bezeichnet wird.[15]

K

+

4 F

K K

K S G

S G

Bild 2-6 Hypermonomer-Methode (K = Kupplungsgruppe, F = Funktionelle Gruppe, S = Schutzgruppe)

44

2. Synthesemethoden für dendritische Moleküle

2.3.5 Click-Chemie Sharpless schlug diese Methode 2001 als schnellen Zugang zu Verbindungen vor, indem kleinere Einheiten durch Heteroatom-Bindungen (C–X–C; X = Heteroatom) zusammengefügt werden.[16] Die Kriterien einer „Click-Reaktion“ seien kurz zusammengefasst: Breite Anwendung mit hohen Ausbeuten; gut zugängliche Ausgangsverbindungen; keine oder leicht abtrennbare Nebenprodukte; simple Reaktionsbedingungen; einfache Produktisolierung; stereospezifisch. Als typische Reaktionen werden 1,3-dipolare Cycloadditionen, nucleophile Substitutionen zur Ringöffnung gespannter elektrophiler Heterocyclen sowie Additionen an KohlenstoffKohlenstoff-Mehrfachbindungen (z. B. Epoxidierung) eingesetzt. Hier sei lediglich ein repräsentatives Beispiel genannt, da die Click-Chemie an sich keinen neuen Synthesetyp darstellt, sondern durch die erwähnten günstig gewählten Reaktionsparameter den Syntheseablauf und die Aufarbeitung der Produkte erleichtert: Wooley und Hawker et al.[17] bauten mit einer „divergenten Click-Strategie“ Dendrimere zweiter und dritter Generation auf. Hierzu wurde ein Azido-Dendrimer der ersten Generation Cu(I)-katalysiert mit einem alkinylierten Monomer in ein Triazol-Dendrimer mit endständigen Hydroxylgruppen übergeführt, die in einem Folgeschritt wiederum zu Azido-Funktionen transformiert wurden, um dann wieder repetitiv mit neuen alkinylierten Monomeren umgesetzt werden zu können.[18a,b] Auch der Zugang zu ungeschützten Glycodendrimeren ist durch Click-Chemie möglich.[18c]

2.4 Festphasen-Synthese Die Festphasen-Methodik wurde 1963 in Pionierarbeiten von Merrifield auf dem Gebiet der Peptid-Synthese begründet.[19] Das Interesse an dieser Synthesestrategie ist heute noch ungebrochen, vor allem im Hinblick auf die Herstellung neuer Wirkstoffe, da wegen der sich immer wiederholenden Amidbindungs-Knüpfung mit Syntheseautomaten insbesondere auf kombinatorischem Wege[20] rasch umfangreiche Substanzbibliotheken aufgebaut werden können. Das in Bild 2-7 gezeigte Schema der Synthese läuft in einem ersten Schritt als eine kovalente Kupplung des Substrats (B) über ein Verbindungselement („Linker“) an die – zuvor mit A (z. B. -NH2) funktionalisierte – käufliche Festphase ab. Diese besteht meist aus einem unlöslichen polymeren Material, wobei Polystyrol der am häufigsten verwendete polymere Träger – meist in Form von Kügelchen – ist. Ausschlaggebend für eine optimale Reaktionsführung sind gute Quelleigenschaften des Trägermaterials, denn je besser das Quellverhalten ist, umso größer wird die für chemische Reaktionen verfügbare Oberfläche. Nach Reaktion des neuen Substrats C am bereits gekoppelten Substrat (Festphase-A-B) erfolgt entweder die meist hydrolytische Abspaltung des an der Festphase entstandenen Produkts B-C vom Trägermaterial, oder die Reaktionssequenz wird mit weiteren Substraten (D, E, F) fortgeführt, so dass eine lineare Sequenz B-C-D-E-F entsteht – oder Isomere davon mit anderer „Buchstabenfolge“ – falls die Substratlösungen in anderer Reihenfolge zugegeben werden.

2.4 Festphasen-Synthese

45

+B Festphase

Kupplung

A

Festphase

A-B

Festphase

A-B-C

Festphase

A + B-C

Festphase

+C Reaktion

Abspaltung

Bild 2-7 Festphasen-Synthese (schematisch); zur Vereinfachung ist nur eine der zahlreichen – von einem Festphasen-Kügelchen ausgehenden – funktionellen Gruppen (A) gezeigt

Neuere Festphasen-Synthesen benutzen Licht-empfindliche Verbindungsstücke (Linker), die später photochemisch gespalten werden können. Aber auch oxidative und reduktive Spaltungskonzepte finden Anwendung. Anschließend wird das Trägermaterial abfiltriert und nach einem Waschprozess für weitere Umsetzungen wiederverwendet. Im Gegensatz zu Reaktionen in Lösung hat die Festphasen-Synthese den Vorteil, dass auch im Überschuss gearbeitet und somit eine Steigerung des Reaktionsumsatzes erzielt werden kann. Die sonst – in homogener Lösung – schwierigen Aufarbeitungs- und Reinigungsprozesse werden durch einfaches Waschen oder Filtration rationalisiert. Unter wirtschaftlichen Aspekten ist auch die Recyclisierung des Trägermaterials nach Abspaltung des Produkts von der Festphase vorteilhaft.

S

S

Festphase

K

+

Festphase

F

S

Festphase

S

K K

S

S

S F

S S

Festphase

S

Abspaltung

S S

S S

Bild 2-8 Divergente Synthese dendritischer Moleküle an der Festphase (K = Kupplungsgruppe, F = Funktionelle Gruppe; S = Schutzgruppe)

46

2. Synthesemethoden für dendritische Moleküle

Trotz aller Vorteile lässt sich das Prinzip der Festphasen-Synthese nicht auf alle chemischen Reaktionstypen anwenden. Obwohl im Überschuss gearbeitet wird, kommt es nicht immer zu einer quantitativen Umsetzung. Die dadurch bedingten Verunreinigungen sind dann auf der Festphase nicht abzutrennen, so dass gerade bei mehrstufigen Synthesen Trennungsprobleme auftreten. Zudem können herkömmliche analytische Methoden (NMR, MS) oft nur eingeschränkt eingesetzt werden. Neuere Methoden der 13C-NMR-Spektroskopie an der Fest-[21] oder in der Gelphase[22] sind für die Festphasen-Synthese maßgeschneidert, jedoch aufgrund der teuren Messinstrumente nicht überall verbreitet. Auf dem Dendrimergebiet ist die Festphasen-Synthese bis jetzt überwiegend zur Darstellung von Peptid- und Glycopeptid-Dendrimeren[23] eingesetzt worden. Beispielsweise konnte ein Dendrimer zweiter Generation durch sukzessive Addition von verzweigten PolyprolinBausteinen an der Festphase hergestellt werden.[24] Die divergente Synthese von PolyamidDendrimeren an Polystyrenen gelang[25] Fréchet et al. 1991 (vgl. Bild 2-8).[26] PAMAMDendrons konnten so bis zur vierten Generation aufgebaut werden.[27] Die FestphasenSynthese wurde auch für Polylysin-Dendrimere eingesetzt, deren Grundstrukturen als „Multiple Antigen-Peptide“ (MAP) genutzt werden.[28] Harz-gebundene Polylysin-Dendrimere sind inzwischen kommerziell erhältlich (Firma Novabiochem).

2.5 Koordinations-chemische Synthese Dendritische Bausteine mit Komplexligand-Charakter können an eine zentrale Metall-Einheit koordinieren.[29] Diese „Selbstorganisation“ eröffnet einen direkten Zugang zu MetalloDendrimeren (siehe auch Kapitel 4.1.7). Es sei an dieser Stelle nicht verschwiegen, dass die starke Ru2+-Bindung an den Bipyridin-Stickstoff, obwohl nicht-kovalent, wegen ihrer mangelnden Reversibilität von manchen Chemikern nicht als „supramolekular“ angesehen wird, weshalb wir sie unter Koordinations-chemischen Aspekten eingliedern.[30]

2.5.1 Metallkomplex als Kerneinheit Prinzipiell gibt es zwei Routen, um Dendrimere mit Metallkomplex-Kerneinheit herzustellen. Ein Weg geht von einem bereits vorkonstruierten Metallkomplex aus, dessen Ligand-Gerüst kovalent mit dendritischen Resten substituiert wird. Aida,[31] Diederich[32] und Kaifer[33] nutzten unter anderen diese Strategie. In einer zweiten Variante kann der Aufbau von Metallo-Dendrimeren über die Komplexierung eines Metall-Kations mit dendritischen Liganden erfolgen. Auf diese Weise erhielten Balzani, Vögtle, De Cola et al.[34] ausgehend von diversen dendritisch substituierten Bipyridinen – durch spontane Selbstorganisation der Komponenten – photoaktive RutheniumKomplexe. Ein repräsentatives Beispiel zeigt Bild 2-9 (weitere photoaktive Komplexe siehe Kapitel 5.1.2.3 und 5.2.1).

2.5 Koordinations-chemische Synthese OMeO

MeO O

OMe O

O

O

O

O

MeO OMe MeO

O

O O

O

O

O

OMe

O

O

MeO MeO

O O

O

OMe

O OMe

OMe O

OMe O O OMe

47

O

O NH

O

NH

O

OMe

HN

HN O

O

O

O

O O

O MeO

O

NH

O

O

O

O O

O

N H

O

MeO

OMe

O

O

O

O

HN

O OMe

O

O

O

O

N H

O O

OMe O

O N

MeO

N

OMe O

O

MeO

O

O

O

O

O

O

HN

O O

O

MeO

O

MeO O

O

O

HN N

N H

O

N

O

O O

O

HN

HN

O MeO

O

O O

NH

O

O

O

O MeO

O

O

O

O

O MeO

MeO

O

O

O

MeO O

O

O O

O OMe

O OMe

O

O

O

OMeO

O OMe

O OMe

NH

NH

O

O

MeO

O

O

HN

O O

O

O O

OMe

OMe OMe

O

O

MeO

O MeO

HN

O O

O

O

NH

O

O

OMe

OMe O

O

O

O MeO MeO

O

O

O

N H

O

O O

MeO

N H

O

N

OMe

O

N

O

O

O

O

O

NH O

O

O

O

N H

O

OMe

Ru2+

O

O O

OMe O

O NH

MeO

MeO

O

O

O OMe

OMe

OMe

Bild 2-9 Ru2+-tris-bipy-Komplex mit dendritischer Peripherie

Für tiefere Einblicke in die Produktvielfalt dieser Strategie sei auf Kapitel 4.1.11 (MetalloDendrimere) und auf die Literatur verwiesen.[31, 32, 35]

2.5.2 Metallkomplexe als Verzweigungseinheit Balzani et al. stellten Dendrimere mit Metallkomplexen sowohl als Kern-[36] als auch als Verzweigungseinheit dar. Das Metallo-Dendrimer in Bild 2-10 ist nur aus PolypyridinLiganden und Übergangsmetall-Ionen aufgebaut. Solche dendritischen ÜbergangsmetallKomplexe können sowohl konvergent als auch divergent synthetisiert und unterschiedliche Übergangsmetall-Ionen (Ruthenium/Osmium) können inkorporiert werden. Damit kann Einfluss auf die Lumineszenz-Eigenschaften des Dendrimers genommen werden. So verläuft der Energietransfer-Prozess bei einem Dendrimer mit einem Ruthenium-Ion als Zentralmetall und peripherem Osmium von innen nach außen ab. Ist das Zentralatom Osmium, so verläuft der Energietransfer umgekehrt von außen nach innen.[37]

48

2. Synthesemethoden für dendritische Moleküle

N

N

Ru2+

N N N

N

Ru2+

N N

N N

N

N

Ru2+

N N

N N

N

N N

M2+

N N

N

N

N

N

Ru2+ N N

N N

N

N

N

N N

N

N N

N

N

N

Ru2+

N

N

Ru2+ N

N

N

N

N

N

Ru2+

N N

Ru2+ N

N

N

Ru2+ N

N

N

N

N

N

N

M = Os, Ru

Bild 2-10 Metallo-Dendrimer (nach Balzani et al.)

Newkome et al. stellten Metallo-Dendrimere mit einer Ligand/Metall/Ligand-Architektur dar, die einen gezielten separaten Aufbau der Dendrons erlaubt. Zwei Polyamid-Dendrons wurden vorkonstruiert und an einen Rutheniumkomplex geknüpft[38] (siehe Kapitel 4.1.11). Weitere Komplex-chemische Dendrimer-Synthesen (“metal directed self assembly utilising metal ions as convex templates”) siehe Lit..[39]

2.6 Supramolekulare Synthese Im Gegensatz zu den bereits vorgestellten Methoden werden bei der supramolekularen Synthese[40b] von Dendrimeren[40b] keine kovalente Bindungen geknüpft, sondern nicht-kovalente Wechselwirkungen ausgenutzt. Fréchet et al. konnten Polyether-Dendrons, die im fokalen Punkt mit Carboxylat-Gruppen funktionalisiert waren, bis zur vierten Generation an Lanthanid-Ionen koordinieren (Bild 211).[41] Die überwiegend ionischen – und reversiblen – Wechselwirkungen zwischen den dreifach positiven Lanthanid-Ionen und Carboxylat-Gruppen machten eine Darstellung durch einfache Liganden-Austauschreaktion ausgehend von Lanthanid-Triacetaten mit DendronCarboxylaten möglich.

2.6 Supramolekulare Synthese

49

OO

O

O

O O O O

O

O

O O

O

O

O

O

O O O

O

O

O

O

O

O

O

O

O O

O

O

O

O

O

O

O

O

O-

O O

O

O O O

OO

O

M3+ O

O

O

O

-

O O

O

O

O

O

O

O

O

O O O

O

O

O

O O

O

O

O

O

O

O

O O

O

O O

O

O

O

O

O O

O O

O

O

O O

O

O

O

O O

M

= Er, Eu, Tb

Bild 2-11 Lanthanid-Ion als Kerneinheit eines dendritischen Metallkomplexes

Ein dendritischer „Zweikomponenten-Gelator“ wurde von Smith et al. auf Basis selbstorganisierender Säure-Base/Wasserstoffbücken-Wechselwirkungen synthetisiert. Als Dendrons fungieren dendritische Lysin-Bausteine, als Kerneinheit dient ein aliphatisches Diamin (Bild 2-12). Der supramolekulare Komplex bildet in Abhängigkeit von der Wahl der Bausteine unter hierarchischer Selbstanordnung (self organisation) faserige Gel-Phasen aus. O O O

O

HN NH *

O

N H

O O

O O

H N

NH

OH

N H2

HN n N

H2

(n = 6-12)

*

O *

H2 C

O *

HO

N H

O

*

O

O

O N H

O O

O

H N

NH

H N

*

HN

O

O O

O

Bild 2-12 Supramolekular aufgebauter dendritischer Zweikomponenten-Gelator (nach Smith et al.); Stereozentren sind rot markiert

50

2. Synthesemethoden für dendritische Moleküle

Die eingesetzten dendritischen Peptide mit D- und L-Lysin-Bausteinen enthalten jeweils drei Stereozentren. Die Chiralität der D- und L-Lysine übt bei der Selbstorganisation in den Gelfasern eine kontrollierende Wirkung auf die Struktur und somit auf die Morphologie und makroskopische Eigenschaften aus. Die LLL- oder DDD-Enantiomeren-Einheiten führen zu Fasern, während entsprechende racemische Gele eher ebene Strukturen bilden. Die Chiralität wirkt sich demnach auf das Muster der Wasserstoffbrücken in den sich dabei bildenden Molekülaggregaten aus.[42] Lüning et al. berichteten von Versuchen, Verzweigungseinheiten und Kernbausteine supramolekular zu Dendrimeren zu verknüpfen.[43] Dazu wurden die Bausteine mit Erkennungseinheiten ausgestattet (Bild 2-13), die sich spontan mit anderen, nicht identischen Bauelementen über Wasserstoffbrücken-Bindungen selektiv selbstorganisieren. Damit die gewünschte Bindungsstärke und Stabilität gewährleistet ist, müssen die Erkennungseinheiten über mehrere Positionen im Molekül verfügen, von denen aus Wasserstoffbrücken gebildet werden können. Desweiteren wird durch bestimmte Sequenzen von Acceptor- (Carbonyl-Sauerstoff) und Donor-Eigenschaften (HN-Gruppen) eine „supramolekulare Regioselektivität“ erzeugt, indem nur Molekülbausteine aneinander „andocken“, die über adäquate komplementäre Bindungsstellen verfügen.

O N N

N

N H

R

;

R= O

H N

O H

N O

O C12H25

C12H25

;

H3C

CH3

O C12H25 O

N N H

H O

Bild 2-13 Beispiele für Erkennungs- und Kerneinheiten mit designten H-Donor- und AcceptorEinheiten (nach Lüning et al.)

Dieses Konzept könnte für das selbstorganisierte generationsweise Wachstum von Dendrimeren genutzt werden, indem um eine Kerneinheit herum unter Benutzung verschiedener vorgegebener Erkennungseinheiten Schale für Schale kontrolliert aufgebaut werden. Die Schwerlöslichkeit der multiplen Amid- und Harnstoff-Strukturelemente erschwerte jedoch bisher das Isolieren reiner oligomerer Produkte. Der vollständige Selbstaufbau von Dendrimeren nach einem „Baukastenprinzip“ gelang Hirsch et al.. An dieser Stelle soll nur kurz auf die Synthesestrategie eingegangen werden, da sie in Kapitel 6 genauer beschrieben wird: Ausgehend von einer Kerneinheit mit drei „Erkennungsdömänen“ und zwei Erkennungseinheiten (identisch mit denen der Kerneinheit) wird eine Verzweigungseinheit über Wasserstoff-Brückenbindungen mit einer komplementären

2.7 Hyperverzweigte Polymere

51

Erkennungsdömäne gebunden und bis zur gewünschten Generation aufgebaut, um abschließend mit adäquaten Endgruppen bestückt zu werden (Bild 2-14).[44]

Kerneinheit

Verzweigungseinheit

terminale Einheit

Bild 2-14 Supramolekularer Selbstaufbau von Dendrimeren (schematisch; nach Hirsch et al.)

Weitere supramolekulare Dendrimer-Synthesen bzw. solcher von Dendrimeren mit Metallkomplex-Struktur: siehe Lit.[45, 39b]

2.7 Hyperverzweigte Polymere Die Darstellung von Dendrimeren setzt hohe Reinheit der verwendeten Edukte und hohe Ausbeuten der einzelnen Syntheseschritte voraus, was den Aufwand generell vergrößert. Polydisperse, hyperverzweigte Verbindungen (hyperbranched polymers), die zwar Defekte aufweisen, jedoch oft ähnliche Eigenschaften wie ihre im Idealfall perfekten dendritischen Verwandten zeigen, können mit geringerem Aufwand synthetisiert werden. Die Synthese hyperverzweigter Polymere[46] erfolgt in einem Einschrittprozess über Polyaddition, Polykondensation, radikalische Polymerisation etc. eines FKn-Monomers (Bild 2-15). Durch Reaktion der funktionellen F-Gruppen mit den funktionellen K- (Kupplungs-) Gruppen eines zweiten Monomer-Moleküls entstehen statistisch verzweigte Moleküle. Da die KGruppen im Überschuss (n • 2) vorliegen, werden Vernetzungsreaktionen von vornherein vermieden. Die Reaktion kann durch Zugabe von Stopper-Bausteinen beendet werden. Da bei der Synthese hyperverzweigter Polymere keine Ankopplung an ein Kernmolekül erfolgt, sondern nur FKn-Monomere unter sich reagieren, können sich neben verzweigten Molekülen auch lineare Sequenzen im Molekül bilden.[47] Sind bei der Synthese hyperverzweigter Polymere reaktive Gruppen vorhanden, so ist eine Schutzgruppen-Technik erforderlich, da sonst keine gezielte Molekülarchitektur erhalten wird (entsprechende Schutzgruppen erhöhen die Selektivität ausgewählter Gruppen für die Bindungsknüpfung). Aufgrund ihres Molekülbaus und ihrer Materialeigenschaften bilden hyperverzweigte Polymere einen Übergang zwischen linearen Polymeren und hochverzweigten Dendrimeren.

52

2. Synthesemethoden für dendritische Moleküle

K n

K

Polymerisation

F

F

Bild 2-15 Synthese eines hyperverzweigten dendritischen Polymers (aus einem FKn-Monomer; schematisch). F = Funktionelle Gruppe, K = Kupplungsstelle

2.8 Dendronisierte lineare Polymere Dendronisierte lineare Polymere sind Polymere, die in mehr oder weniger regelmäßigen Abständen ihres polymeren Rückgrats Dendrons tragen (vgl. Bild 2-16). Sie sind den KammPolymeren[48] zuzurechnen, da die Dendron-Anordnung den Zähnen eines Kamms ähnelt. Der gängigste Syntheseweg, um dendronisierte lineare Polymere herzustellen, ist – neben den Polymer-analogen „Graft-to-“ und „Graft-from-“ Zugängen – die MakromonomerMethode:[49]

2.8.1 Polymer-analoge Methode a) „Graft-to“-Methode Die Methode der Ankopplung von Dendrons („Graft-to“) gehört zu den Polymer-analogen Synthesestrategien, die von einem funktionalisierten Polymer-Rückgrat ausgehen, an dem konvergent vorgefertigte dendritische Einheiten der gewünschten Generation in einer dichten Sequenz fixiert werden können (Bild 2-16).

Bild 2-16 Synthese dendronisierter linearer Polymere nach der Graft-to-Methode (schematisch)

2.8 Dendronisierte lineare Polymere

53

Diese Variante kann zur Darstellung dendronisierter Poly(p-phenylen)-Polymere genutzt werden.[50] b) „Graft-from“-Methode Die „Graft-from-“ (Aufpfropf)-Strategie ist eine Variante der „Graft-to“ Methode, da hier gleichfalls ein funktionalisiertes Polymer vorgelegt wird, an dem die dendritische Einheit Generation für Generation aufgebaut wird. Konkret wird ein Dendron der ersten Generation an ein funktionalisiertes Polymer gekuppelt, um anschließend divergent wachsen zu können (Bild 2-17). Auf diese Weise konnten ausgehend von einem Polyethylenimin-Rückgrat (PEI) Amidoamin-Dendrimere dargestellt werden.[51]

Bild 2-17 Synthese dendronisierter linearer Polymere nach der Graft-from-Methode (schematisch)

Grenzen der Polymer-analogen Varianten ergeben sich bei nicht ausreichender Starrheit der funktionalisierten linearen Polymere, da dies zu unerwünschten Knäuelstrukturen führen kann. Letztere müssen unter Entropieverlust wieder eine lineare Struktur annehmen, um eine Umsetzung aller Dendrons mit den Funktionalitäten am Rückgrat zu gewährleisten. Zumeist werden die Dendrons im Überschuss eingesetzt, damit eine komplette Belegung möglich wird, was aufwendige Reinigungsprozesse der Produkte bedingt. Die zusätzliche sterische Hinderung beim Anheften größerer Dendrons, wenn in der näheren Umgebung am Polymer-

54

2. Synthesemethoden für dendritische Moleküle

rückgrat schon Dendrons höherer Generation fixiert sind, kann zur Verlangsamung der Reaktion bis hin zur Nicht-Umsetzung führen. Geringe Reaktionsgeschwindigkeit kann zudem zu Nebenreaktionen führen, die bei raschem Ablauf nicht auftreten. In Tabelle 2.1 sind einige reaktive Kupplungsstellen – für das Anheften von Dendrons – auf unterschiedlichen Polymergerüsten aufgelistet. Tabelle 2.1 Mögliche Kupplungsstellen auf einem Polymer-Rückgrat

reaktive Gruppe als Kupplungsstellen

Polymer Cellulose

-OH

Poly(vinylalkohol)

-OH

Poly(vinylchlorid)

-Cl

Poly(acrylsäure)

-COOH

Polyamid

-COOH

teilverseiftes Poly(vinylacetat)

-OH

Styrendivinylbenzen-Copolymer

Vinylgruppe

2.8.2 Makromonomer-Methode Ein alternativer Weg setzt als Edukte Makromonomere ein, d.h. bereits Dendrons tragende monomere Bausteine, die dann in einem nachfolgenden Schritt polymerisiert werden (Bild 218). Percec et al. beschrieben die Synthese von dendronisierten Methacrylat-Monomeren und deren radikalische Polymerisation.[52] Sie führten den Begriff kegelförmige Seitenketten (tapered side chains) für Polymere ein, an denen pro Wiederholungseinheit ein Dendron fixiert ist. Voraussetzung für den abschließenden Polymerisationsschritt ist, dass die dendronisierten Monomere polymerisierbare Funktionalitäten wie beispielsweise Vinyl-, Acryloder Oxiran-Endgruppierungen tragen. Neben der radikalischen Polymerisation[53] wurden auch die Ringöffnungs-Metathese-Polymerisation,[54] Suzuki-Polykondensation[55] sowie Heck-Kupplungen[56] benutzt, um nur einige Methoden zu nennen. Die Makromonomer-Route gewährleistet eine einheitliche Belegung mit Dendrons am Polymer-Rückgrat. Als zur Polymerisation gut geeignete Gruppen erwiesen sich beispielsweise Dendron-bestückte Acrylate und Styrene.[57] Probleme bereiten allerdings die sterische Hinderung zwischen Monomeren mit Dendrons höherer Generationen untereinander und der Raumbedarf des Kettenendes: Nur bei fehlender oder geringer sterischer Hinderung reagiert das Monomer mit dem Kettenende, was die Zugänglichkeit auf dendronisierte lineare Polymere mit relativ niedrigen Molmassen beschränkt.

2.8 Dendronisierte lineare Polymere

55

Makromonomer

Bild 2-18 Makromonomer-Methode (schematisch)

Zusammenfassend ist allen Methoden der Darstellung dendronisierter linearer Polymere gemein die Veränderbarkeit der Gestalt eines zuvor flexiblen Fadenmoleküls durch Anknüpfen von Dendrons an das Polymer-Rückgrat. Mit wachsendem Grad der Dendronisierung weitet sich die Knäuelstruktur auf und erlangt mehr Festigkeit, bis das Polymer eine lineare gestreckte Form mit versteiftem Rückgrat annimmt. Die Versteifung von Polymer-Fäden ist in diesem Ausmaß bisher nur durch eine derartige Dendron-Anheftung gelungen. Der Nachweis gelang Schlüter, Rabe et al. überzeugend anhand von STM/AFM-Aufnahmen einzelner Polymer-Moleküle.[58] Diese ließen sich mit der STM/AFM-Spitze auf der Oberfläche auch bewegen und manipulieren.

Polymer-Rückgrat

-

Dendron

Bild 2-19 Zylindrische Form eines dendronisierten linearen Polymer-Moleküls (Denpol; schematisch)

Extreme Beladung des Polymers mit Dendrons resultiert in einer zylindrischen Form des „Denpol“-Polymers (Bild 2-19) mit polydispersen Eigenschaften. Es ist damit möglich, durch Wahl des Polymertyps (z. B. Polyacrylat oder Polystyren; siehe Tabelle 2.1), der Größe

56

2. Synthesemethoden für dendritische Moleküle

der angekoppelten Dendrons und der Dichte ihrer Belegung auf dem Polymer-Gerüst, dessen Konformation zu beeinflussen oder sogar zu steuern. Die Dimensionen der dendritischen Zylinder ist zum einen in der Länge durch den Polymerisationsgrad, zum anderen im Durchmesser (etwa doppelt so groß wie das angekoppelte Dendron) durch die Generation der Dendrons definiert. Herkömmliche Polymere weisen Durchmesser im Ångström-Bereich auf, die hier beschriebenen dendronisierten linearen Polymere haben dagegen Nanometer-Durchmesser. Solche definierten Architekturen könnten für nanoskalige Anwendungen unter anderem im Bereich der Katalyse oder des Chemischen Transports als Trägermaterialien von Nutzen sein. Die parallele Anordnung von Dendrons auf dem Polymer-Rückgrat ist auch für OberflächenOrientierungen in Flüssigkristall-Displays attraktiv.

2.9 Dendro-Isomere Selektive Sulfonamid-Bildung und -Abspaltung ermöglichen es, Konstitutions-Isomere („Dendro-Isomere“) dendritischer Architekturen der im Bild 2-20 gezeigten Art zu synthetisieren.

O S O

O S O O

^ =

O

N

N S

O S

O O

N

S

O S

O O

R

"422"

O S O

^ = R

"431"

O N

S O

O S O O

N S

O S

O O

N

O S O

Bild 2-20 Dendro-Isomere – mit 4 Endgruppen (nach Lukin et al.). Links schematisch, rechts konkretes Beispiel

Sie besitzen dieselbe Molmasse, unterscheiden sich aber in ihrer Verknüpfungsform, ihren Verzweigungen, letztlich in der Reihenfolge (Sequenz) ihrer Atome (Konstitutions-Isomere). Bei höheren Generationen nimmt die Anzahl der Isomerie-Möglichkeiten – analog dem klassischen Fall der Alkane – stark zu.

2.8 Dendronisierte lineare Polymere

R

"844" (Schmp. 185°C)

R

"862" (Schmp. 140°C)

57

R

"1082"

R

"1064"

Bild 2-21 Dendro-Isomere – mit 8 (links) und 10 Endgruppen (rechts; nach Lukin et al.); für die beiden Isomere mit 8 Endgruppen sind beispielhaft Schmelzpunkte angegeben

Bild 2-21 gibt Beispiele isomerer Dendrimere mit höherer Anzahl peripherer Gruppen. Es zeigte sich, dass die Schmelzpunkte solcher Isomere aufgrund von WasserstoffbrückenBindungsbildung und Donor/Acceptor-Effekten der involvierten Benzen- und NaphthalenRinge je nach Verzweigung stark unterschiedlich sind. Außerdem kristallisieren die dendritischen Sulfonimide so gut – auch bei höheren Generationen – dass durch eine Reihe von Röntgen-Kristallstrukturanalysen Aufschluss über die Feinstruktur erhalten werden konnte.[59]

58

2. Synthesemethoden für dendritische Moleküle

Literaturverzeichnis und Anmerkungen zu Kapitel 2 „Synthesemethoden für dendritische Moleküle“ Übersichtsartikel sind durch ein vorgestelltes fett gedrucktes „Übersicht(en)“ bzw. „Buch/Bücher“ gekennzeichnet. [1] E. Buhleier, W. Wehner, F. Vögtle, Synthesis 1978, 155-158. [2] R. G. Denkewalter, J. F. Kolc, W. J. Lukasavage, U.S. Pat. 4 360 646, 1979; R. G. Denkewalter, J. F. Kolc, W. J. Lukasavage, U.S. Pat. 4 289 872, 1981; Denkewalter, J. F. Kolc, W. J. Lukasavage, U.S. Pat. 4 410 688, 1983 [3] D. A. Tomalia, H. Baker, J. R. Dewald, M. Hall, G. Kallos, S. Martin, J. Roeck, J. Ryder, P. Smith, Polym. J. 1985, 17, 117-132. [4] G. R. Newkome, Z.-Q. Yao, V. K. Gupta, G. R. Baker, J. Org. Chem. 1985, 50, 2003-2004. [5] C. J. Hawker, J. M. J. Fréchet, J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1990, 1010-1013; C. J. Hawker, J. M. J. Fréchet, Macromolecules 1990, 23, 4726-4729; J. Am. Chem. Soc. 1990, 112, 7638-7647; C. J. Hawker, K. L. Wooley, J. M. J. Fréchet, J. Chem. Soc., Perkin Trans.1 1993, 1287-1297; J. M. J. Fréchet, C. J. Hawker, K. L. Wooley, J. Macromol. Sci., Pure Appl. Chem. 1994, A31, 1627-1645; J. S. Moore, Z. Xu, Macromolecules 1991, 24, 5893-5894; Z. Xu, J. S. Moore, Angew. Chem. 1993, 105, 261-264; Angew. Chem. Int. Ed. 1993, 32, 246-248. [6] V. Maraval, R. Laurent, B. Donnadieu, M. Mauzac, A.-M. Caminade, J.-P. Majoral, J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 2499-2511. [7] Bücher und Übersichten: G. R. Newkome, C. N. Moorefield, F. Vögtle, Dendrimers and Dendrons: Concepts, Syntheses, Applications, Wiley-VCH, Weinheim, 2001; J. M. J. Fréchet, D. A. Tomalia, Dendrimers and Other Dendritic Polymers, Wiley, New York 2002; I. In, S. Y. Kim, Macromolecules 2005, 38, 9399-9401. [8] R. Spindler, J. M. J. Fréchet, J. Chem. Soc., Perkin Trans. 1 1993, 913-918. [9] F. Zeng, S. C. Zimmerman, J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 5326-5327. [10] Übersicht: S. M. Grayson, J. M. J. Fréchet, Chem. Rev. 2001, 101, 3819-3867. [11] K. L. Wooley, C. J. Hawker, J. M. J. Fréchet, J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 4252-4261. [12] T. M. Miller, T. X. Neenan, R. Zayas, H. E. Bair, J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 1018-1025; Z. F. Xu, M. Kahr, K. L. Walker, J. S. Moore, J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 4537-4550; H. Ihre, A. Hult, J. M. J. Fréchet, I. Gitsov, Macromolecules 1998, 31, 4061-4068. [13] V. Maraval, R. Laurent, B. Donnadieu, M. Mauzac, A.-M. Caminade, J.-P. Majoral, J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 2499-2511. [14] R. Klopsch, P. Franke, A. D. Schlüter, Chem. Eur. J. 1996, 2, 1330-1334; T. Kawaguchi, K. L. Walker, C. L. Wilkins, J. S. Moore, J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 2159-2165. [15] K. L. Wooley, C. Hawker, J. M. J. Fréchet, Angew. Chem. 1994, 106, 123-126; Angew. Chem. Int. Ed. 1994, 33, 82-85; B. Forier, W. Dehaen, Tetrahedron 1999, 55, 9829-9846; G. L’ abbé, B. Forier, W. Dehaen, Chem. Commun. 1996, 2143-2144. [16] H. C. Kolb, M. G. Finn, K. B. Sharpless, Angew. Chem. 2001, 113, 2056-2075; Angew. Chem. Int. Ed. 2001, 40, 2004-2021. [17] P. Wu, A. K. Feldman, A. K. Nugent, C. J. Hawker, A. Scheel, B. Voit, J. Pyun, J. M. J. Fréchet, K. B. Sharpless, V. V. Fokin, M. J. Joralemon, R. K. O’Reilly, J. B. Matson, A. K. Nugent, C. J. Hawker, K. L. Wooley, Macromolecules 2005, 38, 5436-5443. [18] a) M. Malkoch, K. Schleicher, E. Drockenmuller, C. J. Hawker, T. P. Russell, P. Wu, V. V. Fokin, Macromolecules 2005, 38, 3663-3678; b) P. Wu, A. K. Feldman, A. K. Nugent, C. J. Hawker, A. Scheel, B. Voit, J. Pyun, J. M. J. Fréchet , K. B. Sharpless, V. V. Fokin, Angew. Chem. 2004, 116, 4018-4022; Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 39283932; c) E. Fernandez-Megia, J. Correa, I. Rodriguez-Meizoso, R. Riguera, Macromolecules 2006, 39, 2113-2120.

Literaturverzeichnis und Anmerkungen zu Kapitel 2

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2. Synthesemethoden für dendritische Moleküle

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3. Funktionale Dendrimere Die Faszination, die von Dendrimeren ausgeht, beruht im Wesentlichen auf der einzigartigen Architektur dieser Moleküle und den sich daraus ergebenden Möglichkeiten, wohl definierte „funktionale (Makro-)Moleküle“[1] zu designen, deren funktionale Gruppen an chemischen/physikalischen Prozessen teilhaben können.[2] Bei der Diskussion „Funktionaler Dendrimere“ wird unterschieden zwischen Dendrimeren mit komplexeren, Funktionstragenden Einheiten (z. B. katalytisch aktive, photoaktive Einheiten, flüssig-kristalline Gruppen) und solchen, deren Funktionalitäten der Steuerung einfacher chemisch-physikalischer Molekül-eigenschaften (z. B. Löslichkeit, Viskosität) dienen. Da beide eine Funktion ausüben, wird „funktional“ in den folgenden Abschnitten als Oberbegriff verwendet. Die vielen Möglichkeiten, über die Einführung ausgewählter funktionaler Gruppen in die Moleküle die physikalischen/chemischen Eigenschaften des Dendrimers zu steuern, führen zu einer großen Vielfalt der für Dendrimere in Frage kommenden Anwendungen. Je nach Position und Natur der funktionalen Einheiten innerhalb der Dendrimer-Struktur lässt sich zwischen verschiedenen Typen von funktionalen Dendrimeren unterscheiden: 1.

2.

Monofunktionale Dendrimere x

mit funktionaler Kerneinheit

x

mit funktionaler Molekülperipherie

x

mit gleichartigen funktionalen Einheiten innerhalb des Dendrimer-Gerüsts, d.h. in den inneren Schalen (Generationen)

Multifunktionale Dendrimere x

mit zwei oder mehreren verschiedenen funktionalen Einheiten in der Molekülperipherie

x

mit funktionaler Kerneinheit und funktionaler Molekülperipherie

x

mit funktionaler Kerneinheit und funktionalem Dendrimer-Gerüst

In den folgenden Abschnitten werden die am häufigsten verwendeten Strategien zur Synthese der verschiedenen Dendrimer-Typen näher vorgestellt und der synthetische Nutzen für ein gezieltes Design von funktionalen Dendrimeren bewertet.

3.1 Monofunktionale Dendrimere 3.1.1 Funktionaler Kern In der Regel werden Dendrimere mit funktionalem Kern nach der konvergenten Methode (Bild 3-1, Weg a); siehe auch Kapitel 2.2) durch kovalente Verknüpfung vor-synthetisierter Dendrons mit einer Funktions-tragenden Kerneinheit erhalten. In einigen Fällen konnten kernfunktionalisierte Dendrimere auch nach einer supramolekularen Synthesestrategie (Bild 3-1, Weg b); s. auch Kapitel 2.6) realisiert werden.[3] Richtungsweisend auf diesem Gebiet

3.1 Monofunktionale Dendrimere

63

war die von Balzani et al. vielfach verwendete Methode der konvergenten Selbstorganisation von Polypyridin-Liganden mittels Übergangsmetallionen.[4] Die konvergente (Kapitel 2.2) und die supramolekulare Synthesestrategie (Kapitel 2.6) haben gegenüber der divergenten Methode (Kapitel 2.1) den Vorteil, dass die funktionale Kerneinheit erst im letzten Syntheseschritt hinzugefügt wird. Dies ermöglicht es dem Dendrimer-Chemiker, auch empfindliche funktionale Kerneinheiten einzubauen. Nur wenn diese Kerneinheit unter den Reaktionsbedingungen der nachfolgenden Aktivierungs- und Kupplungsschritte stabil ist, können Dendrimere dieses Typs auch durch divergenten Aufbau einer dendritischen Hülle um die Kerneinheit synthetisiert werden (Bild 3-1, Weg c), s. auch Kapitel 2.1).[5] Die konvergente Synthesestrategie zur dendritischen Ummantelung funktionaler Kernbausteine ist nicht zuletzt auch deshalb die vielseitigste Methode, weil sie zu exakteren und einheitlicheren dendritischen Materialien führt.[6]

a)

b)

c)

Bild 3-1 a) Konvergente, b) supramolekulare und c) divergente Synthese von Dendrimeren mit funktionalem Kern (schematisch)

In der Literatur ist ein breites Spektrum von Dendrimeren mit funktionalem Kern beschrieben. So konnten bereits Chromophore,[7] elektrochemisch-, redox-[8] und katalytisch aktive[9] oder auch selbst-assoziierende und chirale Einheiten sowie polymerisierbare Monomere und

64

3. Funktionale Dendrimere

Polymere im Zentrum von Dendrimeren platziert werden. Die Kerneinheit bestimmt aber nicht nur über die Funktion, sondern hat auch entscheidenden Einfluss auf die Multiplizität, Größe und Gestalt des Dendrimers. Untersuchungen zum Einfluss der Dendrimer-Hülle auf die Eigenschaften einer funktionalen Kerneinheit zeigen, dass dieser signifikant sein kann. So führt die herabgesetzte Zugänglichkeit der Kerneinheit in einigen Fällen zur Ausbildung einer eigenen, von den chemischen und elektronischen Eigenschaften der Dendrimer-Hülle abhängigen Mikroumgebung in unmittelbarer Nähe der Funktions-tragenden Zentraleinheit. Charakteristische Eigenschaften aktiver Zentren, wie das Redoxverhalten, können sich dadurch entsprechend der Polarität und der Elektronendichte der geschaffenen Mikroumgebung im Vergleich zu denen der frei zugänglichen Analoga verändern.[10] Zudem kann die sterische Abschirmung[6b] durch die dendritischen Substituenten bei redoxaktiven Kernen sowie bei photoaktiven Kerneinheiten genutzt werden, um unerwünschte intermolekulare Wechselwirkungen zwischen den aktiven Zentren zu verhindern. Die Gruppierung großer dendritischer Äste um eine katalytisch aktive Einheit herum kann den Zugang von Substraten zum Katalyse-Zentrum beeinflussen und Substrat-, Regio- oder Enantioselektivität erzeugen. Zudem eröffnet die mit der Anknüpfung von Dendrons einhergehende Molekül-Vergrößerung bei der homogenen Katalyse neue Möglichkeiten zur Katalysator-Rückgewinnung.[11] Langfristiges Ziel ist es, die Eigenschaften der funktionalen Kerneinheit durch Anknüpfung entsprechender Dendrons im Hinblick auf die anwendungstechnischen Erfordernisse „tunen“ zu können. Die vielen Arbeiten, die sich mit dem Aufdecken dieses Zusammenhangs befassen, lassen dieses Ziel trotz der vielen zu berücksichtigenden Faktoren allmählich in greifbare Nähe rücken.

3.1.2 Funktionale Peripherie Verschiedenste Untersuchungen haben gezeigt, dass die chemischen und physikalischen Eigenschaften dendritischer (Makro-)Moleküle stark von der Natur ihrer funktionalen peripheren Gruppen diktiert werden.[12] So lassen sich über die peripheren Gruppen unter anderem Stabilität, Löslichkeit, Viskosität, Aggregation und chemische Reaktivität eines Dendrimers kontrollieren und darüber hinaus auch dessen räumliche und Oberflächengestalt sowie die konformative Flexibilität beeinflussen. Dabei nimmt der Einfluss der Endgruppen auf die Moleküleigenschaften mit wachsender Generation zu, da die Anzahl der Endgruppen eines ideal wachsenden Dendrimers in Abhängigkeit von der Multiplizität des Kerns und der Verzweigungseinheiten exponentiell mit dem Anbau weiterer Generationen ansteigt. Aus diesem Grund ist die Funktionalisierung der Molekülperipherie die aussichtsreichste und einfachste Möglichkeit, Eigenschaften zu designen und neue Anwendungsbereiche zu erschließen. In bestimmten Fällen kann durch die Vervielfältigung identischer funktionaler Einheiten eine drastische Verstärkung des von diesen Einheiten ausgehenden Effekts erreicht werden (Dendritischer Effekt; s. Kapitel 6.3). Neben der Verstärkung gewünschter Funktionen ist auch die gute Zugänglichkeit der funktionalen Einheiten bzw. Funktionalitäten in der Molekülperipherie ein entscheidender Vorteil für viele der möglichen Anwendungen von Dendrimeren (z. B. in der Katalyse). In den folgenden Abschnitten werden die verschiedenen Strategien zur Synthese peripher funktionalisierter Dendrimere vorgestellt und bewertet. Dabei wird der Ausdruck periphere

3.1 Monofunktionale Dendrimere

65

Gruppe als neutraler Begriff verwendet. Er kann sowohl periphere Funktions-tragende Einheit als auch periphere Funktionalität bedeuten. Dabei können peripher kovalent angeknüpfte Endgruppen durchaus auch – teilweise – zurückgefaltet sein (siehe Kapitel 1.2 und 7.6.3).

3.1.2.1 Funktionalisierung der Endgruppen Die Funktionalisierung der Peripherie bereits bestehender, in der Regel divergent oder konvergent aufgebauter Molekülgerüste (Bild 3-2, Weg a) bzw. b)) ist die synthetisch einfachste Möglichkeit zur Darstellung monofunktionaler dendritischer Systeme. a) divergent: n

: Endgruppe : monomere funktionale Einheit

b) konvergent: n

:

Endgruppe (maskiert bzw. unter den Bedingungen des konvergenten Dendrimer-Aufbaus unreaktiv)

: monomere funktionale Einheit : reaktive Kerneinheit

Bild 3-2 Molekülperipherie im Anschluss an einen a) divergenten und b) konvergenten DendrimerAufbau (schematisch). Der jeweilige Schritt ganz rechts erzeugt die endgültige Peripherie

Die mit terminalen primären Aminogruppen ausgestatteten, kommerziell erhältlichen POPAM- und PAMAM-Dendrimere (s. Kapitel 4) sind die derzeit am häufigsten verwendeten, divergent aufgebauten Dendrimer-Strukturen, gefolgt von Poly(benzylether)-Dendrons bzw. Poly(benzylether)-Dendrimeren (Fréchet-Typ) als Vertreter konvergent synthetisierter dendritischer Moleküle. Diese nachträgliche „Endgruppen-Funktionalisierung“ erfordert nur einen Syntheseschritt und liefert Dendrimere, die eine einzige Art peripherer Gruppen in der jeweiligen, Generations-abhängigen Multiplizität tragen, und daher nach Newkome et al. als „peripher homogene

66

3. Funktionale Dendrimere

Dendrimere“[13] bezeichnet werden. Die Synthese monodisperser Dendrimere dieses Typs setzt jedoch eine selektive und quantitative Umsetzung des Substrats an der Peripherie (s. Kapitel 2.1) voraus. Die Zahl geeigneter Kupplungsreaktionen und die Typen von Endgruppen-Reagenzien sind deshalb begrenzt. Funktionalisierung der Endgruppen divergent aufgebauter Dendrimere: In der Literatur finden sich einige Beispiele zur Funktionalisierung von peripheren NH2-, CO2H-, CHO-, P(X)Cl2- (X = S, O) und Si-H-Gruppen[14] divergent aufgebauter Dendrimer-Gerüste. Allen Endgruppen ist gemeinsam, dass sie mit einer großen Zahl leicht zugänglicher oder sogar kommerziell erhältlicher Reagenzien reagieren. Zudem werden sie alle im Verlauf des normalen iterativen Aufbaus gängiger Dendrimer-Typen (z. B. POPAM-, PAMAM-, Phosphorhaltige Dendrimere, Carbosilan-Dendrimere) auf jeder Generationsstufe regeneriert. Bereits fest etabliert in der Dendrimer-Chemie ist die Funktionalisierung von peripheren NH2-Gruppen, insbesondere bei POPAM- und PAMAM-Dendrimeren. Hierzu gehören die zu den entsprechenden Oligo-/Polyamiden führenden Kupplungen mit aktivierten Carbonsäurederivaten wie Carbonsäurechloriden,[15] -fluoriden,[16] -anhydriden[17] und NHydroxysuccinimid-Estern.[18] Auch die Reaktionen von Oligo-/Polyamin-Dendrimeren mit Sulfonsäurechloriden zu den entsprechenden Sulfonamiden[19] sowie die Umsetzung mit Isothiocyanaten oder Isocyanaten zu Thioharnstoff-[20] bzw. Harnstoff-Derivaten[21] haben sich vielfach bewährt. Weitere attraktive Reaktionen von Polyamin-Dendrimeren mit Epoxiden zu Į-Aminoalkoholen,[22] mittels doppelter Phosphinomethylierung via in situ gebildetem Hydroxymethyldiphenylphosphin zu den entsprechenden Bis(methyldiphenylphosphin)aminen[23] oder mit ortho-Hydroxybenzaldehyd-Derivaten zu Iminen[24] sind bisher auf Einzelfälle beschränkt. Besonders attraktiv ist derzeit die nachträgliche Funktionalisierung mit Molekülteilen von biologischer Bedeutung, wie z. B. Antitumor-Wirkstoffen (z. B. 5-Fluoruracil). Bei Oligo/Polyamin-Dendrimeren eignet sich in diesem Zusammenhang besonders die Acetylierung als Funktionalisierungsreaktion. Die Dendrimere werden dadurch wasserlöslicher, was für biomedizinische Anwendungen unabdinglich ist;[25] auch die Toxizität dendritischer Systeme spielt dabei eine entscheidende Rolle. Bisherige Untersuchungen an Dendrimeren (u.a. POPAM- und PAMAM-Dendrimere) mit verschiedenen peripheren Gruppen zeigen, dass die Zelltoxizität von Dendrimeren über die Endgruppen-Funktionalisierung beträchtlich beeinflusst werden kann.[26] Hawker et al. präsentierten mit dem Prinzip der „Click-Chemie“ (s. Kapitel 2.3.5) eine effiziente und vielseitig anwendbare Funktionalisierungs-Methode. Sie nutzt beispielsweise die [3+2]-Cycloaddition Azid-funktionalisierter Reagenzien mit den Ethin-Endgruppen eines Dendrimer-Vorläufers, um Dendrimere mit Triazol-funktionalisierten Endgruppen darzustellen. Die milden Reaktionsbedingungen, die nahezu quantitative Umsetzung und nicht zuletzt die Toleranz gegenüber einer Vielzahl an funktionellen Gruppen erlauben den Einsatz ganz unterschiedlicher Molekülgerüste (z. B. Poly(benzylether)-, POPAM-Dendrimer-Gerüste oder hyperverzweigte Polyester) und verschieden funktionalisierter Azide.[27] Funktionalisierung der Endgruppen konvergent aufgebauter Dendrimere/Dendrons: Die gewünschten funktionalen Gruppen können auch im Anschluss an einen konvergenten Dendron- bzw. Dendrimer-Aufbau in die Molekülperipherie eingeführt werden (Bild 3-2, Weg b)). Voraussetzung ist, dass die Endgruppen, mit denen die Synthese begonnen wird,

3.1 Monofunktionale Dendrimere

67

während des Molekülgerüst-Aufbaus maskiert bleiben (unreaktiv sind), aber nachträglich modifizierbar sind. So konnten die Alkylester-Endgruppen konvergent aufgebauter Poly(benzylether)Dendrimere durch Hydrolyse,[28] Reduktion,[29] Umesterung/Amidierung[28] auf vielfältige Weise postsynthetisch modifiziert werden. Durch nachträgliche Modifizierung pBrombenzyl-Endgruppen tragender Poly(benzylether)-Dendrons über Palladium-katalysierte Kupplungsreaktionen konnten Dendrons mit Phenyl-, Pyridinyl- oder ThiophenylEndgruppen[30] dargestellt werden. Das Konzept der „Postmodifikation“ der Molekülperipherie eignet sich somit nicht nur zur Einführung „einfacher“ Funktionalitäten zur Gestaltung der physikalisch-chemischen Molekül-Eigenschaften (z. B. Löslichkeit), sondern erlaubt auch die Einführung „komplexer“ Funktions-tragender Einheiten (z. B. katalytisch-aktive Einheiten, Antitumor-Wirkstoffe), die für den konvergenten Dendrimer-Aufbau zu empfindlich sein können.

3.1.2.1 Einführung peripherer Gruppen vor dem Dendrimer-Aufbau Einen weiteren Zugang zu peripher homogen funktionalisierten Dendrimeren bietet die konvergente Synthesestrategie ausgehend von den peripheren Gruppen des späteren Dendrimers (s. Kapitel 2.2). Der Vorteil gegenüber der „Postmodifikations“-Variante ist, dass zur Einführung der gewünschten peripheren funktionalen Einheiten bzw. Funktionalitäten eine deutlich geringere Anzahl von Kupplungsschritten erforderlich ist. Wie bereits erwähnt, können auf diesem Weg jedoch nur periphere Gruppen eingeführt werden, die ausreichende Löslichkeit aufweisen und im Verlauf der nachfolgenden Aktivierungs- und Kupplungsschritte weder Nebenreaktionen hervorrufen, noch abgebaut werden. Die relativ milden Synthesebedingungen während des iterativen Aufbaus von Poly(benzylether)-Dendrons werden von einer Vielzahl an peripheren Gruppen (z. B. Cyano-, Bromid-Funktionalität, Alkylester, Alkylether, Perfluoralkylether, Oligo(ethylenglykol)ether) toleriert. Daher können die peripheren Gruppen solcher Fréchet-Typ Dendrons auf vielfältige Weise variiert und den jeweiligen Erfordernissen angepasst werden. Gerade die Löslichkeit kann in weitesten Grenzen – von Wasser- bis Petrolether-löslich – variiert (maßgeschneidert) werden. Mit ihrer einzelnen Funktionalität im fokalen Punkt können solche Dendrons als Modifizierungs-Reagenzien verwendet werden, um schwerlösliche Substanzen etwa für spektroskopische Zwecke (z. B. NMR) hinreichend löslich zu machen oder gegenüber Reagenzien zu stabilisieren. Von anwendungstechnischem Interesse sind insbesondere FréchetTyp Dendrons oder -Dendrimere mit funktionaler Molekülperipherie, die ausgehend von Organoruthenium-Einheiten,[31] redoxaktiven Ferrocenyl-Gruppen,[32] katalytisch-aktiven TADDOL-Einheiten,[33] flüssig-kristallinen Gruppen bzw. Chromophoren[34] aufgebaut wurden. In geringerem Umfang konnten auch andere Dendron-Strukturen mit peripheren funktionalen Einheiten, wie Zuckern,[35] Ferrocenen oder Fullerenen[36] auf diesem Weg dargestellt werden.

3.1.3 Funktionale Einheiten im Dendrimer-Gerüst Bei der Synthese funktionaler Dendrimere standen bislang die Variation der funktionalen Kerneinheit bzw. der peripheren Gruppen sowie deren Einfluss auf die Eigenschaften des Dendrimers im Mittelpunkt des Interesses. Lange Zeit wurde den dendritischen Ästen mit

68

3. Funktionale Dendrimere

ihren Wiederholungs-Einheiten nur die Funktion zugeschrieben, als Verbindungsgerüst zwischen Peripherie und Kern zu fungieren. Dabei wurde übersehen, dass sich im Inneren des Dendrimer-Gerüsts eine eigene charakteristische (Nano-)Umgebung ausbilden kann, die wesentlich von der chemischen Natur und der Polarität der zum Dendrimer-Aufbau verwendetet Wiederholungseinheiten abhängt. Zudem können sie Kaskaden-Prozesse erleichtern und als Plattform für kooperative Effekte zwischen Dendrimer-Ästen[37] dienen. Um das Potential der einzigartigen Architektur von Dendrimeren vollständig auszuschöpfen, sind Synthesestrategien erforderlich, die eine innere Manipulation von Dendrimeren durch Einbau spezieller funktionaler Einheiten (chemisch funktioneller oder physikalisch aktiver Gruppen) in den inneren Schalen ermöglichen. Abhängig vom Syntheseziel kann die Funktionalisierung des Dendrimer-Inneren wiederum entweder im Vorfeld des Dendrimer-Aufbaus erfolgen oder am bereits synthetisierten Dendrimer-Gerüst vorgenommen werden.[38] Da eine Funktionalisierung des inneren Gerüsts im Anschluss an den Dendrimer-Aufbau („Postmodifikation“) die Einführung nachträglich modifizierbarer Funktionalitäten während des Dendrimer-Aufbaus voraussetzt, greifen beide Strategien und damit auch die beiden folgenden Abschnitte inhaltlich ineinander.

3.1.3.1 Modifizierung vor dem Dendrimer-Aufbau Für bestimmte Anwendungen (z. B. Katalyse) ist der Einbau einer großen Zahl innerer funktionaler Einheiten wünschenswert. Dies kann durch Verwendung entsprechend vorfunktionalisierter monomerer Verzweigungs-Einheiten beim Aufbau des Dendrimer-Gerüsts realisiert werden. Bei dieser Strategie ist darauf zu achten, dass die funktionellen Gruppen dieser monomeren Bausteine gegenüber den Reaktionsbedingungen während des Dendrimer-Aufbaus unempfindlich sein müssen. Durch Einsatz zweier verschieden funktionalisierter monomerer Verzweigungs-Einheiten vom Typ AB2FG (FG = funktionelle Gruppe) lassen sich auf divergentem oder konvergentem Weg schichtweise aufgebaute Dendrimer-Strukturen aufbauen. Dabei lässt sich die Zahl und Anordnung der jeweiligen inneren Funktionalitäten bei entsprechender Kombinierbarkeit der funktionalisierten monomeren Bausteine dem Syntheseziel entsprechend kontrollieren (s. Bild 3-3). Der Einsatz nur einer Art von funktionalisierter Verzweigungseinheit vom Typ AB2FG führt hingegen zu Dendrimeren mit identischen Funktionalitäten in jeder Generation.

3.1 Monofunktionale Dendrimere

69

konvergentes oder divergentes Wachstum

: monomere Verzweigungseinheit AB2

,

: verschiedene funktionelle Gruppen

Bild 3-3 „Prämodifikation“: Der Aufbau von Dendrimeren ausgehend von vorfunktionalisierten monomeren Verzweigungseinheiten ermöglicht die Darstellung von Dendrimeren mit unterschiedlichen inneren Funktionalitäten in aufeinanderfolgenden Schichten

Die Parallele Monomerkombinations-Methode von Fréchet et al. bietet einen schnellen Zugang zu Poly(benzylether)-Dendrimeren mit schichtweise angeordneten inneren funktionalen Einheiten bei gleichzeitiger präziser Kontrollierbarkeit der Zahl und Anordnung dieser Gruppen im inneren Dendrimer-Gerüst. Die Synthesestrategie wurde entwickelt, um den synthetischen Nutzen und die Schnelligkeit der konvergenten „Zwei-Stufen“-Synthese mit der Durchsatzleistung und der Vielseitigkeit der klassischen Parallel-Synthese zu kombinieren. Die inneren Funktionalitäten werden auch hier mit Hilfe zweier verschieden funktionalisierter monomerer Bausteine vom Typ AB2FG (FG = gewünschte Funktionalität, die auch H sein kann) eingeführt, von denen jede parallel kombinierbar sein muss. Bei Ausschöpfung aller Kombinationsmöglichkeiten werden 2G (G = Generation) verschiedene Dendrons erhalten (s. Bild 3-4). Fréchet et al. demonstrierten die Leistungsfähigkeit dieser Methode anhand der Synthese einer Serie von Poly(benzylether)-Dendrons der vierten Generation mit ein bis fünfzehn nachträglich modifizierbaren inneren Allyloxy-Gruppen.

70

3. Funktionale Dendrimere 2 funktionalisierte Monomere:

4 G2-Dendrons:

16 G4-Dendrons:

+ 12 weitere G4-Dendrons

Bild 3-4 Die Parallele Monomerkombinations-Methode nach Fréchet et al. führt zu einer Anzahl von 2G Dendrons (G = Generationszahl; vereinfachte Illustration)

Zu den Dendrimeren, bei denen eine große Anzahl von inneren funktionalen Gruppen während des Dendrimer-Aufbaus gezielt eingebracht wurden, gehört auch ein Dendrimer mit Azobenzen-Gruppen in jeder Wiederholungseinheit. Bei Bestrahlung mit UV-Licht wurde das für Azobenzen typische Isomerisierungs-Verhalten verbunden mit einer signifikanten Schrumpfung des Moleküls beobachtet (s. Kapitel 5.2).[39] Neben Azobenzen fanden auch weitere funktionale Einheiten, wie Fullerene, quartäre Ammonium-Salze, Pyridine, Triarylamine, Carbazole, flüssigkristalline Gruppen[40] und im Zusammenhang mit chiraler Erkennung auch chirale Gruppen,[41] als funktionale Bestandteile monomerer Bausteine beim Dendrimer-Aufbau Verwendung. In einigen Fällen steht aber nicht eine große Zahl innerer Funktionalitäten, sondern die Generations-spezifische Einführung einer einzigen funktionellen Gruppe im Vordergrund. Dies gilt beispielsweise dann, wenn der Einfluss der vom Dendrimer-Gerüst ausgebildeten Mikroumgebung auf die innere funktionelle Gruppe untersucht werden soll. Zudem kann diese Gruppe als Anknüpfungsstelle für funktionale Einheiten wie Chromophore, Elektrophore oder katalytisch aktive Einheiten dienen und zur Modifizierung des Dendrimer-Inneren an festgelegten Positionen genutzt werden.

3.1 Monofunktionale Dendrimere

71

Schlüter et al. gelang es, eine einzelne Arylbromid-Funktionalität generationsspezifisch in Poly(benzylether)-Dendrimere einzubauen. Diese Bromid-Funktion konnte unabhängig von ihrer Position im Dendrimer-Gerüst auch noch zur weiteren chemischen Modifizierung genutzt werden, da sie mit Arylboronsäure unter Suzuki-Kreuzkupplung reagieren kann.[42]

3.1.3.2 Innere Modifizierung im Anschluss an den Dendrimer-Aufbau Alternativ zur gerade erläuterten Funktionalisierungs-Strategie werden bei der „Postmodifikations“-Variante monomere Wiederholungseinheiten (Verzweigungsbausteine) mit einer orthogonal geschützten (s. Kapitel 2.3.1) oder selektiv aktivierbaren Funktionalität zum konvergenten bzw. divergenten Dendrimer-Aufbau eingesetzt. Alle inneren Funktionalitäten des Dendrimer-Vorläufers können dann in einem einzigen Schritt modifiziert werden (Bild 3-5).

konvergentes oder divergentes Wachstum

Entschützen

Funktionalisierung

Bild 3-5

„Postmodifikation“: Der Dendrimer-Aufbau mit geschützten monomeren VerzweigungsEinheiten erlaubt das nachträgliche Einführen innerer Funktionalitäten in das Gerüst des Dendrimer-Vorläufers

72

3. Funktionale Dendrimere

Die nachträgliche Modifizierung der Verzweigungseinheiten im Inneren eines DendrimerGerüsts fand bislang vergleichsweise wenig Beachtung. Aus synthetischer Sicht eröffnet diese Strategie jedoch einen deutlich größeren Gestaltungsspielraum als die umgekehrte Variante. So können auch Dendrimere zugänglich werden, deren Verzweigungs-Einheiten schwierig zu synthetisieren oder für den Einsatz in der iterativen Dendrimer-Synthese entweder nicht reaktiv genug oder zu empfindlich wären. Problematisch ist allerdings die eingeschränkte Zugänglichkeit innerer Gruppen im Vergleich zu peripheren Funktionalitäten. Chow et al. überführten Oligo(dibenzylsulfid)-Dendrimere der ersten bis dritten Generation durch Oxidation der inneren Dibenzylsulfid-Einheiten mit Wasserstoffperoxid in die korrespondierenden Oligo(dibenzylsulfon)-Dendrimere, die über divergente oder konvergente Synthesestrategien nicht zugänglich sind. Die anschließende Umwandlung der Sulfon-Einheiten in Stilben-Gruppen konnte bis zur zweiten Dendrimer-Generation realisiert werden und basiert auf drei bzw. neun Ramberg-Bäklund-Umlagerungen im Inneren der Dendrimer-Gerüste. Da die Umlagerungen zu einem neuen Typ von Dendrimer mit vollkommen anderem Molekülgerüst führen, bezeichneten Chow et al. diese Synthesestrategie als „DendrimerMetamorphose“ (Bild 3-6).[43] R

R R

R R

S R

R

S R

S

R

R

SO2

S

S O2

S

S

R

R

R

R

O2S

S R

S

R R

R

R

S R

R R R

R

R: n-C6H13

Bild 3-6 Umwandlung innerer funktioneller Gruppen und „Metamorphose“ eines Oligo(dibenzylsulfon)-Dendrimers zweiter Generation zu einem entsprechenden Oligo(phenylenvinylen)-Dendrimer (Der zentrale Benzen-Kern ist der Übersichtlichkeit halber grau markiert)

In der Literatur findet man hauptsächlich Beispiele für die nachträgliche innere Funktionalisierung von Fréchet-Dendrimeren.[44] Die gute Eignung dieses Dendrimer-Typs lässt sich darauf zurückführen, dass der konvergente Aufbau von Poly(benzylether)-Dendrimeren[45] unter relativ milden und von vielen funktionellen Gruppen tolerierbaren Bedingungen erfolgt, die Reinigung bei der konvergenten Synthese vergleichsweise einfach und eine große Auswahl an kommerziell erhältlichen oder zumindest leicht zugänglichen Aren-Bausteinen verfügbar ist.

3.2 Multifunktionale Dendrimere

73

Lochmann et al. waren die ersten, die das innere Molekülgerüst von Fréchet-Typ-Dendrons nachträglich zu modifizieren versuchten.[46] Die Multifunktionalisierung des DendronInneren über Metallierung (Superbase und anschließende Reaktion mit verschiedenen Elektrophilen) erwies sich jedoch aufgrund einer geringen Regioselektivität als eher statistischer Natur. Sie eignete sich zwar zur Gestaltung der Löslichkeitseigenschaften des Dendrons, aber nicht zur Darstellung dendritischer Strukturen, die über funktionelle Gruppen in definierten Positionen des inneren Molekül-Gerüsts verfügen. Beispiele für eine nachträglich vorgenommene, regioselektive und kovalente Funktionalisierung des inneren Dendrimer-Gerüsts[47] existieren erst wenige. Die erste kontrollierte innere Funktionalisierung von Dendrimeren gelang Newkome et al.. Sie synthetisierten wasserlösliche Polycarborane auf Dendrimerbasis für einen möglichen Einsatz in der Borneutroneneinfang-Therapie, indem sie die Generationen-spezifische Reaktion von Decaboranen mit den internen Alkin-Funktionalitäten eines Polyalkyl-Dendrimers nutzten und anschließend polare periphere Gruppen einführten.[48] Müllen et al. gelang die kontrollierte „Postmodifikation“ von Polyphenylen-Dendrimeren der zweiten Generation mit einer definierten Anzahl von Keto-Gruppen im Dendrimer-Gerüst. Nach Überführung der inneren Ketogruppen des Vorläufer-Dendrimers in Hydroxyl-Gruppen mit Hilfe von Organolithium-Reagenzien konnten diese mit funktionalen Einheiten verschiedener Natur und Größe – darunter so große Reaktionspartner wie Pyren – regioselektiv und quantitativ funktionalisiert werden.[49] Durch Einbau funktioneller Gruppen im Inneren des Dendrimer-Gerüsts kann im Anschluss an den Dendrimer-Aufbau auch eine intramolekulare Bindungsbildung durch Reaktion zwischen funktionellen Gruppen im selben Dendrimer-Molekül erreicht werden. So ermöglichte der Einbau aromatischer Spacer mit jeweils zwei Allylgruppen in ein Poly-(benzylether)-Dendrimer-Gerüst nachträglich eine kontrollierte kovalente Verknüpfung der einzelnen Dendron-Untereinheiten via Ringschluss-Methathese.[50] Majoral et al. beschäftigten sich systematisch mit der nachträglichen Generationsspezifischen Einführung verschiedener funktioneller Gruppen (Allyl, Propargyl, Isothiocyanate, primäre Amine, Aldehyde,[51] Kronenether, Fluoreszenz-Label[52]) sowie geladener Gruppen in phosphorhaltige Dendrimere und untersuchten sogar das divergente Wachstum von Dendrons im Inneren großer, flexibler Phosphorhaltiger Dendrimere. Wie die vorangegangenen Abschnitte zeigen, erhöht eine innere Funktionalisierung den Grad der Komplexität solcher Molekülstrukturen erheblich und damit auch die Chance, neue dendritische Materialien für zukünftige Anwendungen beispielsweise in der Nano- oder Biotechnologie zu entwickeln. Das langfristige Ziel ist, neue vielseitige Synthesestrategien zu konzipieren, die eine Kontrolle über die gezielte Platzierung von verschiedenen funktionalen Einheiten sowohl im Dendrimer-Gerüst als auch in der -Peripherie ermöglichen.

3.2 Multifunktionale Dendrimere Die Eigenschaften eines Dendrimers werden nicht nur durch die spezifischen Eigenschaften seiner jeweiligen funktionalen Einheiten bestimmt, sondern auch durch deren Anzahl, Strukturvielfalt und durch kooperative Effekte zwischen verschiedenen funktionalen Einheiten beeinflusst. Für einige spezielle Anwendungen und zur Entwicklung von Substanzen, die sich

74

3. Funktionale Dendrimere

zur Nachahmung biologischer Systeme eignen,[53] sind solche multifunktionalen dendritischen Systeme mit mehr als einer Art von Funktionalität erforderlich. Die folgenden Abschnitte beschäftigen sich schwerpunktsmäßig mit dem Einbau zweier verschiedener Typen von funktionalen Einheiten. Dabei wird zwischen Dendrimeren mit bifunktionalisierter Molekülperipherie (Bild 3-7; Typen A, B, C, D) und solchen Dendrimeren unterschieden, bei denen die eine Funktion im Kern und die andere in den Verzweigungseinheiten bzw. in der Molekülperipherie (Typen E, F) lokalisiert ist. Multifunktionale Dendrimere des Typs G mit verschiedenen funktionalen Einheiten in Kern, Gerüst und Peripherie spielen bislang noch eine untergeordnete Rolle und werden deshalb an dieser Stelle nur kurz behandelt, zumal Vertreter dieses Typs auch in Kapitel 6 noch näher vorgestellt werden.

,

A

B

C

E

F

G

D

, : verschiedene funktionale Einheiten/Funktionalitäten

Bild 3-7 Verschiedene Bifunktionalisierungs- (A-F) und Multifunktionalisierungs-Konzepte (G)

3.2.1 Bifunktionalisierte Molekülperipherie Die konvergente Synthesestrategie scheint grundsätzlich die überlegene Methode zu sein, um eine kontrollierte Zahl von funktionalen Einheiten auch unterschiedlichen Typs in die Peripherie eines Dendrimers einzuführen. So können im Rahmen einer konvergenten Synthese zwei Arten von Dendrons, die sich in ihren terminalen Gruppen unterscheiden, zu einem Dendrimer-Molekül verknüpft oder an eine gemeinsame Kerneinheit gekoppelt werden (Bild 3-8). Auf diese Weise werden Dendrimere mit zwei verschiedenen peripheren Gruppen in voneinander getrennten Molekülsegmenten erhalten, die als Oberflächen-Blockdendrimere (Surface-block-Dendrimere)[54] bezeichnet werden. Das zahlenmäßige Verhältnis der beiden peripheren Gruppen zueinander ist dabei abhängig von der jeweiligen Generation der beiden

3.2 Multifunktionale Dendrimere

75

Dendron-Typen und von den relativen Mengen, die von jedem Dendron-Typ eingesetzt wurden (s. auch Kapitel 2.2).

,

: verschiedene funktionale Einheiten

Bild 3-8 Konvergente Synthese eines bifunktionalisierten Dendrimers mit zwei verschiedenen peripheren Gruppen in voneinander getrennten Molekülsegmenten (Oberflächen-Blockdendrimer)

Ein von Fréchet et al. vorgestelltes amphiphiles Poly(benzylether)-Dendrimer mit terminalen COOH-Gruppen in der einen Molekülhälfte und lipophilen terminalen Alkylketten in der anderen entspricht diesem Typ von peripher heterogenem Dendrimer.[55] Andere OberflächenBlockdendrimere, die durch Kopplung zweier Dendrons mit starken ʌ-Donor- bzw. starken ʌAcceptor-Gruppen erhalten wurden, zeigten inter- und intramolekulare Charge-TransferWechselwirkungen und ein amphoteres Redoxverhalten.[56] Phosphorhaltige Oberflächen-Blockdendrimere lassen sich nach einer von Majoral et al. entwickelten Methode aufbauen (Bild 3-9)[57]

N P

:

P N

N

N P

P

H C

O

Me N

N

Ph

: H2 C P Ph

:

P N

N P

Ph N

P S

: H2 C P Ph

N

P N P

P

S

S

Bild 3-9 Bei der Bifunktionalisierung nach Majoral et al. werden ausgehend von spezifischen Funktionalitäten im Inneren des Dendrimer-Gerüsts „Tochter-Dendrons“ divergent aufgebaut

76

3. Funktionale Dendrimere

Einen weiteren Zugang zu Dendrimeren mit bifunktionalisierter Molekülperipherie bietet die konvergente Synthese unter Einsatz von Dendrons, die über zwei verschiedene terminale Gruppen verfügen.[58] Solche unsymmetrische Dendrons können beispielsweise durch den schrittweisen Einbau von zwei verschiedenen Funktionalitäten ausgehend von einem AB2Monomer dargestellt werden. Ohne statistische Monofunktionalisierung und somit wesentlich unproblematischer verläuft die Synthese, wenn die beiden „B“-Funktionalitäten beim konvergenten Dendron-Aufbau zu unterscheiden sind, weil eine Funktionalität entweder geschützt vorliegt (ABBG- Monomer, Index G von geschützt) oder beide unter den speziellen Reaktionsbedingungen verschiedene Reaktivitäten aufweisen (ABB’-Monomer; Bild 3-10). a)

Nebenprodukt

B

B

B

AG B A

B

Entschützen

A AG

AG

AG

AG

statistische Monofunktionalisierung

A

AG B

B AG

: unterschiedlich funktionalisierte Monomere

,

AG

b) B

B' AG

A

A

B' AG

A

B AG

AG

Entschützen AG

B

B

B

AG

Bild 3-10 Synthese unsymmetrischer Dendrons mit Hilfe von AB2-Monomeren bzw. ABB’Monomeren (Die Funktionalitäten B und B’ zeigen unterschiedliche Reaktivität unter den erforderlichen Synthesebedingungen)

Newkome et al. stellten erstmals einen kombinatorischen Ansatz zur Synthese peripher heterogen funktionalisierter POPAM-Dendrimere vom Typ B (s. Bild 3-7) vor, der auf der Funktionalisierung der Endgruppen mit einer Mischung verschiedener, aber gleich funktionalisierter Substrate beruht. Der Nachteil dieser Methode ist, dass die resultierenden Dendrimere über eine nicht voraussagbare Verteilung der verschiedenen funktionalen Einheiten in der Peripherie verfügen.[13] Meijer et al. funktionalisierten POPAM-Dendrimere mit einer 1:1 Mischung von Pentafluorphenylester-aktivierten Azobenzen-Einheiten sowie entsprechend aktivierten Alkylketten. Sie erhielten amphiphile schaltbare Dendrimere, deren Peripherie beide funktionale Einheiten zu gleichen Anteilen, aber in statistischer Verteilung, aufweisen (Bild 3-11).[59]

3.2 Multifunktionale Dendrimere

77

O

O O

O N

O

N

N

N

O

O

N

N

O

N

N

N N

N

O

O

O

N O

O N

O

N

N

O O N N O

O

O

O N

O

O N H O HN

N O

N

N

N

N

N

N

N

N N N

N N N N

N

N

N

N

N

O

N

N

N

NH O NH O

N N O

O

N

N N

N

NH O NH HN HN O O

O

N

NH NH O O

NH O

HN NH O

N

N

N NH

NHO

NH NH O

O

N

O

N N

O

O

NH O

N N

O

N

N

O N

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N

N

H O N

N

O

N N

O

H O N NH O

N N

O

O

N N

O

H O N

N

N

N

NH N OH N OH

N

N

N

O

HO N HO N H O N HO N H O N H O N

N

O

N

O HN HO N HO N

N

N

N H O

O

N O

O

N

N

N

O HN O HN O HN

N

N

N

N OH N O H N OH

O

N

N N

N OH

N

O NH HN

N

N

N

O NH

N

N

N

N

O

N

N OH

O

O O HN HN O NH

N

NH

N O H O NH

O

N

N O

N

N

O O O HN HN HN

N

O HN

O

O

O HN O HN NH

HN NH

O

N

O N

O

N

NHO

O

NH O

O N N

O

O

O

O N N

O O

N

O

O

N

O

O

N

O

N

O

O

O

N N

N

N

O

N

N N

N

N N O N O

N

O

O O

O

Bild 3-11 Amphiphiles schaltbares POPAM-Dendrimer (nach Majoral et al.), dessen Peripherie beide funktionale Einheiten zu gleichen Anteilen, aber in statistischer Verteilung aufweist

Eine Bifunktionalisierungs-Methode, die in der Regel zu peripher heterogenen Dendrimeren definierter Zusammensetzung führt, besteht im gezielten Anknüpfen von jeweils zwei verschiedenen funktionalen Einheiten an die einzelnen Endgruppen eines Dendrimer-Gerüsts.[60] Erste Konzepte für eine solche lokale Bifunktionalisierung der Dendrimer-Peripherie wurden von Shinkai et al. sowie Kim et al. vorgestellt: Durch reduktive Aminierung eines PAMAMDendrimers zweiter Generation mit acht Anthracen-Einheiten als signalgebende Gruppen und anschließende Umsetzung mit Boronsäure-Reagenz gelang Shinkai et al. (Bild 3-12) die Darstellung eines Saccharid-Sensors auf der Basis eines Dendrimers mit lokal bifunktionalisierter Molekülperipherie (s. auch Kapitel 8.5.3.4).[61]

78

3. Funktionale Dendrimere

O

POPAM

NaBH4

+

NH2

POPAM

NH

8

8

Br

O B

POPAM

O

1.) K2CO3, MeCN

N

2.) MeOH

OH B OH 8

Bild 3-12 Synthese eines lokal bifunktionalisierten Dendrimers (nach Shinkai et al.)

Kim et al. ließen zunächst Hydroxy-terminierte Dendrimere mit Amin-geschützten ĮAminosäuren reagieren, um nach der basischen Abspaltung der Schutzgruppen über Carbonsäuren eine zweite Funktionalität einführen zu können.[62] Diese Bifunktionalisierungs-Methoden sind jedoch vergleichsweise aufwendig und nur in wenigen speziellen Fällen anwendbar, da der Monofunktionalisierungs-Schritt auf Substrate beschränkt ist, die eine zusätzliche Kopplungsstelle in einer geschützten Form für die zweite funktionale Einheit beinhalten. Eine vielseitigere Methode zur lokalen Bifunktionalisierung, die ohne Entschützungs-Schritt auskommt und gleichzeitig auf kommerziell erhältliche Dendrimer-Gerüste zurückgreift, stellt die Funktionalisierung Amin-terminierter POPAMDendrimere mit Sulfonylchloriden und anschließende Substitution des Sulfonamid-Protons mit anderen Sulfonylchloriden[63] bzw. mit Alkyl- oder (dendritischen) Benzylbromiden[64] dar (s. Bild 3-13).

3.2 Multifunktionale Dendrimere

79

H 2 N NH 2H 2 N NH 2 H 2N NH 2 H 2N NH 2

H 2N H 2N

NH H NH N

NH 2 NH 2

H 2N H 2N

X

NH 2 NH 2

H 2N H 2N H 2N NH 2

H 2N NH 2

NH 2 NH 2

NH

NH NH NH N H

NH H N H N HN

NH N H N H HN

HN HN HNHN

HN HN

N HN H

Br

,

: verschiedene funktionale Einheiten

Bild 3-13 Methode der lokalen Bifunktionalisierung von Oligo-/Polyamin-Dendrimeren

Auf Einzelfälle beschränkt blieb bislang die Darstellung peripher bifunktionalisierter Dendrimere nach der Methode der nicht-kovalenten lokalen Bifunktionalisierung. Diese Bifunktionalisierungs-Methode lässt sich bei peripher monofunktionalisierten Dendrimeren anwenden, die als Wirt-Dendrimere fungieren können, da sie über Endgruppen verfügen, die zur Ausbildung supramolekularer Wechselwirkungen fähig sind. In solchen Fällen besteht die Möglichkeit, eine zweite, als funktionaler Gast fungierende Funktions-tragende Einheit nichtkovalent in die Molekülperipherie einzuführen. Dies zeigt das Beispiel von POPAMDendrimeren mit peripheren Adamantylharnstoff-Gruppen, die unter Ausbildung von Wasserstoffbrücken-Bindungen mit katalytisch aktiven, Harnstoff-substituierten PhosphinLiganden funktionalisiert werden konnten.[65] Die Methode der lokalen Bifunktionalisierung von Endgruppen bietet den Vorteil, dass die beiden unterschiedlichen Funktionseinheiten nicht nur gut zugänglich sind, sondern auch räumlich nahe beieinander liegen. Solche bifunktionalisierten Dendrimere sind ideale Modell-Verbindungen, um kooperative und allosterische Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen peripheren Gruppen zu untersuchen. Diese Art der räumlichen Anordnung ermöglicht intramolekulare Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen benachbarten Funktionalitäten, die von anwendungstechnischem Interesse sein können. So reagiert bei „Chromoionophoren“ die an den Ionophor-Liganden geknüpfte Chromophor-Gruppe sensitiv auf des-

80

3. Funktionale Dendrimere

sen Komplexierungs-Verhalten.[66] Der Wirkungsmechanismus bei Enzymen wird ähnlich von der räumlichen Nähe mehrerer funktioneller Gruppen bestimmt.[67]

3.2.2 Zwei verschiedene funktionale Einheiten in unterschiedlichen Molekülteilen Beispiele für Dendrimere, die über einen funktionalen Kern und zusätzlich über eine funktionale Einheiten tragende Molekülperipherie verfügen, sind in der Literatur relativ zahlreich vertreten. In vielen Fällen dient die Dendrimer-Hülle der Abschirmung und Solubilisierung der funktionalen Kerneinheit (z. B. photoaktive oder katalytisch aktive Kerneinheit) und ist zu diesem Zweck mit löslichkeitsfördernden peripheren Gruppen ausgestattet. Je nach Lösungsmittel empfiehlt sich die Einführung von Alkyl-Ketten zur Erhöhung der Lipophilie, Perfluoralkyl-Ketten zur Erhöhung der Hydrophobie oder die Einführung von hydrophilen Gruppen wie Sulfonaten,[68] Carboxylaten,[69, 28] Phosphonaten,[70] quartären AmmoniumGruppen,[71] Zuckern[72] oder Polyethylenglykolen[73, 5b] zur Verbesserung der Wasserlöslichkeit. Werden zwei oder mehr verschiedene Arten von funktionalen Einheiten, die in geeigneter Weise wechselwirken können, in unterschiedliche Teile (Kern bzw. fokaler Punkt, Gerüst, Peripherie) eines Dendrimers oder Dendrons eingebaut, so können Energiegradienten erzeugt werden.[74] In vielen Fällen handelt es sich um dendritische Strukturen, bei denen ein strukturell erzeugter Gradient Energie- bzw. Elektronentransfer-Reaktionen von der Molekülperipherie zur photoaktiven bzw. redoxaktiven zentralen Einheit ermöglicht. Fréchet et al. bauten ein bifunktionalisiertes Poly(benzylether)-Dendron konvergent auf, bei dem das Licht von den terminalen Chromophoren (Cumarin 2) gesammelt und auf den fluoreszierenden, fokalen Punkt (Cumarin 343) fokussiert wird (Lichtsammelnde Antenne; engl. light harvesting antenna; Bild 3-14; siehe auch Kapitel 5.2).[75] Auch die Ummantelung eines zentralen Tris(bipyridin)ruthenium(II)-Komplexes mit Naphthalen-funktionalisierten Fréchet-TypDendrons führt zu Dendrimeren, die einen effektiven Energietransfer von den terminalen Naphthyl-Einheiten über das dendritische Gerüst zum zentralen Ruthenium-Komplex zeigen.[76]

3.2 Multifunktionale Dendrimere

81

hQ O

O

N

O

N N

O

O

O

O O

O

O

N

O

N

N O

N

O

O

N

O

ET

N

O

O

O

O

O

O

N

N

O

N

O

O O O

O

O

N

N

O

N

N O

O

N

O

O

A

O

hQ

O

O

O

O

O

O

O O

O

O

O

O

ET

O

O N N

O

O

N O

O

O

Ru2 N N N

O O

O

O

O O

O

O

O

O

O

O

O O

O O

O

B Bild 3-14 Zwei unterschiedliche dendritische lichtsammelnde Antennen A und B

82

3. Funktionale Dendrimere

3.2.3 Mehr als zwei verschiedene funktionale Einheiten Während die vorgestellten Bifunktionalisierungs-Strategien verhältnismäßig einfach anzuwenden sind, erfordert die Synthese multifunktionaler Dendrimere mit mehr als zwei Typen von funktionalen Einheiten einen beträchtlichen Syntheseaufwand. Zur Darstellung von Dendrimeren mit einem funktionalen Kern und weiteren funktionalen Einheiten im Dendrimer-Gerüst und in der Peripherie bedarf es einer de novo-Synthese des gesamten DendrimerGerüsts, wobei die Synthese-Bedingungen für alle Gruppen tolerierbar sein müssen (Bild 315). konvergent: Aktivierung

: inaktive Funktionalität : aktive Funktionalität : Endgruppe : innere Funktionalität

divergent: Aktivierung

Bild 3-15 Synthese von Dendrimeren, die im Kern, im Verzweigungsgerüst und in der Peripherie funktionalisiert sind

Müllen et al. stellten ein multi-chromophores Dendrimer vor, welches über das gesamte sichtbare Spektrum absorbiert. Drei verschiedene Farbstoffe sind in einem steifen Polyphenylen-Dendrimer-Gerüst so angeordnet, dass ein Energiegradient zwischen der Peripherie und

3.2 Multifunktionale Dendrimere

83

dem Zentrum des Kerns erzeugt wird und bei Anregung der peripheren Chromophore (C1, C2) ein effizienter Energietransfer auf den zentralen Chromophor (A) erfolgt (Bild 3-16).[77]

C1

C1

N

C1 O

C1

N

C2 C1

C2

C2

C2

C1

A

C2

C2

O

N

C1 O

C1

O

C1 O

O

C1 C1

C2 C2

C1

C1

O

C1 C1

C1

C1

N

O

C2

A

Bild 3-16 Multichromophores Dendrimer nach Müllen et al. mit drei verschiedenen Rylen-Farbstoffeinheiten (C1, C2, A) in Peripherie, Gerüst und Kern (schematisch)

Ausgehend von ABB’-Monomeren konnte bereits ein multifunktionalisiertes Poly(benzylether)-Dendron der dritten Generation aufgebaut werden, bei dem sich alle acht terminale Gruppen unterscheiden (Bild 3-17).[78] Die Anknüpfung dieser Dendrons an eine Kerneinheit würde Dendrimere mit multifunktionalisierter Molekülperipherie vorhersagbarer Zusammensetzung liefern. Die Vorteile einer hohen funktionalen Vielfalt in der Molekülperipherie rechtfertigen die größere Zahl an Synthese- und Aufreinigungs-Schritten im Vergleich zur klassischen konvergenten Synthese.

84

3. Funktionale Dendrimere B

B'

AG

A

A

B'

Entschützen

AG

AG

A B'

B AG

A AG

AG

AG

B'

O Br

O O

Br

O O O

O

: unterschiedlich funktionalisierte Monomere

O

O O

O

O

C A G : geschützte Funktionalität

O O O O

Br

Bild 3-17 Synthesestrategie für unsymmetrische Dendrons. Dabei wird ausgenutzt, dass Funktionalität A besser mit Funktionalität B als mit B’ reagiert (AG = geschützte Funktionalität)

Die vorangegangenen Abschnitte verdeutlichen, dass der Dendrimer-Chemiker mittlerweile über umfangreiche Möglichkeiten verfügt, spezielle funktionale Einheiten in ein oder mehrere ausgewählte Molekülbereiche (Zentrum, Peripherie, inneres Verzweigungsgerüst) einzuführen, um Dendrimere oder Dendrons für geplante Anwendungen maßzuschneidern. Allerdings bleibt zu bedenken, dass besonders die Synthesestrategien zur Einführung von zwei oder mehreren verschiedenen funktionalen Einheiten (Bifunktionalisierung, Multifunktionalisierung) mit einem hohen synthetischen sowie Zeit- und Kosten-Aufwand verbunden sind und ihr Einsatz auf bestimmte Dendrimere und Dendrons beschränkt ist, da spezielle Voraussetzungen erfüllt sein müssen (z. B. besondere Endgruppen wie primäre Amino-Funktionen).

3.2 Multifunktionale Dendrimere

85

3.2.4 Übersicht über funktionale Dendrimere und ihre Synthese Zum Abschluss dieses Kapitels seien die Charakteristika von und Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Typen funktionaler Dendrimere und der bisher bereits angewandten und damit empfehlenswerten Synthesestrategie tabellarisch zusammengestellt:

Dendrimer-Typ

Struktur

Synthesestrategie

Monofunktionales Dendrimer a) mit funktionaler Kerneinheit

Konvergenter, supramolekularer oder seltener divergenter Dendrimer-Aufbau unter Verwendung einer funktionalen Kerneinheit

b) mit funktionaler Molekülperipherie

a) Prämodifikation: Konvergenter Dendrimer-Aufbau ausgehend von den späteren peripheren Gruppen b) Postmodifikation: Endgruppen-Funktionalisierung im Anschluss an den divergenten oder konvergenten Dendrimer-Aufbau.

c) mit inneren funktionalen Einheiten

a) Prämodifikation: Divergenter, konvergenter oder supramolekularer Dendrimer-Aufbau unter Einsatz von monomeren Bausteinen (z. B. AB2FG), die die gewünschte Funktion bereits enthalten. b) Postmodifikation: Konvergenter oder divergenter Aufbau eines Dendrimer-Vorläufers unter Einsatz von monomeren Bausteinen mit orthogonal geschützten oder selektiv aktivierbaren Funktionalitäten. Einführung der gewünschten funktionalen Einheit durch nachträgliche Funktionalisierung der inneren Funktionalitäten des Dendrimer-Vorläufers.

86

3. Funktionale Dendrimere

Dendrimer-Typ

Struktur

Synthesestrategie

Multifunktionales Dendrimer Konvergenter Aufbau unter Einsatz eines monofunktionalisierten monomeren Verzweigungs-Bausteins vom Typ AB2FG.. Die statistische Monofunktionalisierung dendritischer Äste an monomeren Bausteinen ist notwendiger Bestandteil der Synthese.

Dendrimere mit einer einzelnen, Generations-spezifisch eingebauten funktionalen Einheit. Postmodifikation:

a) mit global bifunktionalisierter Peripherie

Reaktion der Endgruppen eines bestehenden Dendrimer-Gerüsts mit einer Mischung zweier unterschiedlich funktionalisierter Substrate.

Statistische Verteilung der verschiedenen funktionalen Einheiten in der Molekülperipherie. a) Verknüpfung zweier Arten von Dendrons, die sich in ihren peripheren Gruppen unterscheiden. b) Kopplung solcher Dendrons an eine gemeinsame Kerneinheit.

Oberflächen-Blockdendrimer mit zwei verschiedenen peripheren Gruppen in voneinander getrennten Molekül-Segmenten. b) mit lokal bifunktionalisierter Molekülperipherie

Monofunktionalisierung der Endgruppen mit einem Substrat, welches eine zusätzliche Kopplungsstelle in geschützter Form enthält. Anschließend Einführung einer weiteren funktionalen Einheit über die aktivierte Kopplungsstelle.

3.2 Multifunktionale Dendrimere

Dendrimer-Typ

87

Struktur

Synthesestrategie

Multifunktionales Dendrimer Monofunktionalisierung von Polyamin-Dendrimeren mit funktionalisierten Sulfonylchloriden. Anschließende Substitution des Sulfonamid-Protons mit anderen Sulfonylchloriden bzw. mit Alkyl- oder (dendritischen) Benzylbromiden.

Bifunktionalisiertes Dendrimer mit perfekt alternierender Molekülperipherie (siehe auch Buch-Titelbild). c) mit funktionalem Kern und inneren funktionalen Einheiten

d) mit funktionalem Kern, inneren funktionalen Einheiten und funktionalisierter Molekülperipherie

a) Konvergente oder divergente Synthese unter Einsatz der gewünschten funktionalen Kerneinheit und entsprechend vorfunktionalisierter monomerer Bausteine.

De novo-Synthese des DendrimerGerüsts erforderlich: a) Konvergente Synthese: DendronAufbau unter Einsatz entsprechend vorfunktionalisierter monomerer Bausteine (z. B. AB2FG) ausgehend von den peripheren funktionalen Einheiten des späteren Dendrimers. Anschließende Anknüpfung der Dendrons an die gewünschte funktionale Kerneinheit. b) Divergente Synthese (selten): Ausgehend von der funktionalen Kerneinheit wird unter Verwendung von monomeren Bausteinen, die die gewünschte innere funktionale Einheit bereits enthalten, das DendrimerGerüst aufgebaut. Im Anschluss erfolgt die Funktionalisierung der Endgruppen zur Einführung der gewünschten peripheren funktionalen Einheiten. c) Sonderfall Metallo-Dendrimere: Divergenter oder konvergenter Aufbau aus Übergangsmetall-Komplexen (häufig von Polypyridin-Liganden) als Kern- und Verzweigungseinheiten.

88

3. Funktionale Dendrimere

Literaturverzeichnis und Anmerkungen zu Kapitel 3 „Funktionale Dendrimere“ Übersichtsartikel sind durch ein vorgestelltes fett gedrucktes „Übersicht(en)“ bzw. „Buch/Bücher“ gekennzeichnet. [1] Dendrimere sind nicht, wie missverstanden werden könnte, auf Makromoleküle, Polymere beschränkt, sondern gleichermaßen in der niedermolekularen Chemie wichtig. Beispielsweise sind niedrige Generationen von Dendrimeren in der Regel nicht den Makromolekülen zuzurechnen, aber auch funktionalisierte Dendrons und dendritische Substituenten werden in der niedermolekularen Chemie noch eine große Rolle spielen, sowohl in der organischen wie bio-organischen und anorganischen Chemie, um sterische, Philie-Effekte und Löslichkeiten zu steuern. Dendrimere sind also, anders als der Name andeuten mag, Gegenstand der gesamten Chemie. [2] Übersichten: a) H.-F. Chow, T. K. K. Mong, M. F. Nongrum, C.-W. Wan, Tetrahedron 1998, 54, 8543-8660; b) F. Diederich, Chem. Eur. J. 1998, 4, 1353-1361; c) A. Archut, F. Vögtle, Chem. Soc. Review 1998, 27, 227-240; d) F. Vögtle, S. Gestermann, R. Hesse, H. Schwierz, B. Windisch, Prog. Polym. Sci. 2000, 25, 987-1041. [3] a) M. Kawa, J. M. J. Fréchet, Chem. Mater. 1998, 10, 286-296; b) H. F. Chow, I. Y. K. Chan, D. T. W. Chan, R. W. M. Kwok, Chem. Eur. J. 1996, 2, 1085-1091; c) M. Plevots, F. Vögtle, L. De Cola, V. Balzani, New J. Chem. 1999, 23, 63-69; d) F. Vögtle, M. Plevoets, M. Nieger, G. C. Azzellini, A. Credi, L. De Cola, V. Marchis, M. Venturi, V. Balzani, J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 6290-6298. [4] a) V. Balzani, A. Juris, M. Venturi, S. Campagna, S. Serroni, Chem. Rev. 1996, 96, 759-833; b) G. Denti, S. Campagna, S. Serroni, M. Ciano, V. Balzani, J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 2944-2950; c) V. Balzani, S. Campagna, G. Denti, A. Juris, S. Serroni, M. Venturi, Acc. Chem. Res. 1998, 31, 26-34. [5] a) P. J. Dandliker, F. Diederich, M. Gross, C. B. Knobler, A. Louati, E. M. Sanford, Angew. Chem. 1994, 106, 1821-1824; Angew. Chem. Int. Ed. 1994, 33, 1739-1742; b) P. Dandliker, F. Diederich, A. Zingg, J.-P. Gisselbrecht, M. Gross, A. Louati, E. Sanford, Helv. Chim. Acta 1997, 80, 1773-1801; c) M. Kimura, Y. Sugihara, T. Muto, K. Hanabusa, H. Shirai, N. Koboayashi, Chem. Eur. J. 1999, 5, 3495-3450. [6] a) J. M. J. Fréchet, Science, 1994, 263, 1710-1715; b) Übersicht: S. Hecht, J. M. J. Fréchet, Angew. Chem. 2001, 113, 76-94; Angew. Chem. Int. Ed. 2001, 40, 74-91. [7] Z. B. dendritisch substituierte photoaktive Metallkomplexe: Übersicht: V. Balzani, P. Ceroni, A. Juris, M. Venturi, S. Campagna, F. Puntoriero, S. Serroni, Coord. Chem. Rev. 2001, 219-221, 545-572. [8] C. B. Gorman, J. C. Smith, M. W. Hager, B. L. Parkhurst, H. Sierzputowska-Gracz, C. A. Haney, J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 9958-9966. [9] A. V. Davis, M. Driffild, D. K. Smith, Org. Lett. 2001, 3, 3075- 3078. [10] D. L. Stone, D. K. Smith, P. T. McGrail, J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 856-864. [11] a) T. Marquardt, U. Lüning, Chem. Commun. 1997, 1681-1682; b) D. A. Tomalia, P. R. Dvornic, Nature 1994, 617-618; c) N. Brinkman, D. Giebel, G. Lohmer, M. T. Reetz, U. Cragl, J. Catal. 1999, 183, 163-168; d) N. J. Hovestad, E. B. Eggeling, H. J. Heidbüchel, J. T. B. H. Jastrzebski, U. Kragl, W. Keim, D. Vogt, G. van Koten, Angew. Chem. 1999, 111, 1763-1765; Angew. Chem Int. Ed. 1999, 38, 1655-1658; e) D. de Groot, E. B. Eggeling, J. C. de Wilde, H. Kooijman, R. J. van Haaren, A. W. van der Made, A. L. Spek, D. Vogt, J. N. H. Reek, P. C. J. Kramer, P. W. N. M. van Leeuwen, Chem. Commun. 1999, 1623-1624; f) M. Albrecht, N. J. Hovestad, J. Boersma, G. van Koten, Chem. Eur. J. 2001, 7, 1289-1294. [12] a) S. C. Zimmerman, I. Zharov, M. S. Wendland, N. A. Rakow, K. S. Suslik, J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 13504-13518; b) S. Kimata, D. L. Jiang, T. Aida, J. Polym. Sci., Polym. Chem. 2003, 41, 3524-3530; c) A. Dahan, M. Portnoy, Macromolecules 2003, 36, 1034-1038; d) E. M. Harth, S. Hecht, B. Helms, E. Malmstrom, J. M. J. Fréchet, C. J. Hawker, J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 3926-3938; e) D. J. Pochan, L. Pakstis, E. Huang, C. J. Hawker, R. Vestberg, J. Pople, Macromolecules 2002, 35, 9239-9242; f) M. E. Mackay, Y. Hong, M. Jeong, S. Hong, T. P. Russel, C. J. Hawker, R. Vestberg, J. Douglas, Langmuir 2002, 18, 1877-1882. [13] G. R. Newkome, C. D. Weis, C. N. Moorefield, G. R. Baker, B. J. Childs, J. Epperson, Angew. Chem. 1998, 110, 318-321; Angew. Chem. Int. Ed. 1998, 37, 307-310.

Literaturverzeichnis und Anmerkungen zu Kapitel 3

89

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90

3. Funktionale Dendrimere

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Literaturverzeichnis und Anmerkungen zu Kapitel 3

91

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4. Dendrimer-Typen und -Synthesen In den Kapiteln 2 und 3 wurde schon in allgemeine Prinzipien der Architektur, Synthese und Funktionalisierung von dendritischen Molekülen – einschließlich hyperverzweigter und dendronisierter (linearer) Polymere (Denpols) – eingeführt. Im Folgenden sollen nun konkrete Molekülgerüste und Synthesen wichtiger Dendrimer-Typen betrachtet und deren spezifische Eigenschaften erwähnt werden. Speziellere und Anwendungs-relevante Eigenschaften bestimmter Dendrimere sind in Kapitel 8 zusammengestellt.

4.1 Achirale Dendrimere 4.1.1 POPAM Die Bezeichnung Poly(propylenimin) ist, ebenso wie das entsprechende Akronym PPI, systematisch korrekt, Oligo- wäre allerdings als Vorsilbe für die niedermolekularen Repräsentanten passender. Weil die Silbe Imin das Vorhandensein einer Imino-Gruppe (>C=N-) vortäuscht, ist dieser Familienname aber nicht optimal. Um den ausschließlichen AminCharakter zu betonen, wurde diese Verbindungsgruppe daher auch Polypropylenamin genannt, wozu auch das gängige Kürzel POPAM passt. Dieser Dendrimer-Typ (Bild 4-1) gehört zu den bisher am häufigsten genutzten, da er – wie die Poly(amidoamin)-Dendrimere (siehe nachfolgender Abschnitt 4.1.2) – kommerziell erhältlich ist.[1] POPAM-Dendrimere enthalten aufgrund der Dreibindigkeit der Amin-Stickstoffatome ausschließlich AB2Verzweigungseinheiten (1ĺ2-Verzweigungstyp). Zwar wurde Proben solcher Dendrimere durch Elektrospray-Ionisierungs-Massenspektrometrie (ESI) ein hoher Reinheitsgrad zugeordnet,[2] jedoch können auch hier – wie schon in Kapitel 1.3 beschrieben – durch die divergente Synthese bedingt, Strukturdefekte durch nicht vollständige Umsetzung bei der Michael-Addition auftreten. Der hohe Verzweigungsgrad hemmt aufgrund sterischer Hinderung das Generationswachstum ab der fünften Generation („starburst limit effect“, siehe Kapitel 1.3). In Tabelle 4.1 sind zum Vergleich einige „Wachstumsdaten“ zusammengestellt; auf die zehnte Generation hochgerechnet würden solche POPAM-Dendrimere bereits über 2048 terminale Aminogruppen verfügen.

4.1 Achirale Dendrimere

93

H 2N

NH2

H 2N

NH2 N

N H 2N

NH 2 N

N

N N

H 2N

NH2 N

N

H 2N N

N

H 2N N

NH2

N

N

NH 2

N

H2N

NH2 H 2N

NH2

Bild 4-1 POPAM-Dendrimer der dritten Generation (G3) – mit tetrafunktioneller Kerneinheit und AB2Verzweigung (Die Generationen sind grau gekennzeichnet)

Tabelle 4.1 Anstieg von POPAM-Parametern mit der Generationszahl[3]

Generation

Endgruppen

Durchmesser

Molmasse

[Anzahl]

[Å]

[g]

1

4

4,4

317

2

8

6,9

773

3

16

9,3

1687

4

32

11,6

3514

5

64

13,9

7168

Die divergente Synthese der POPAM-Dendrimere basiert auf dem Konzept von Vögtle et al. aus dem Jahr 1978 (s. Kapitel 1.1).[4] An ein primäres Mono- oder Oligo-Diamin wird via Michael-Reaktion Acrylnitril addiert (Bild 4-2). Als geeignete Reduktionsmittel erwiesen sich Co(II)-Borhydrid-Komplexe oder Diisobutylaluminiumhydrid.[5] In darauffolgenden iterativen Reaktionscyclen kann bis zum Erreichen der Grenzgeneration immer wieder von neuem Acrylnitril addiert und anschließend reduziert werden.

94

4. Dendrimer-Typen und -Synthesen H2N

CN

+ H2N

CN N

NH2

(Michael-Addition)

Reduktion

CN

N

CN

H 2N

N

N

NH2

CN NH2 CN NC N

2. iterativer Cyclus +

NC

CN

CN N

N

(Michael-Addition)

N

Reduktion

N

CN CN N CN CN

NH2

H 2N N H2 N N H 2N

NH2

N

3. iterativer Cyclus

N

N

NH2

....

N NH2 NH2

Bild 4-2 Synthese von POPAM-Dendrimeren (Schlüsselschritt Michael-Addition nach Vögtle et al.)

Meijer et al. und Mülhaupt et al. gelang 1993, auf diesem Prinzip aufbauend, nahezu gleichzeitig die präparative Synthese monodisperser POPAM-Dendrimere höherer Generationen.[6] Aufgrund der terminalen Aminogruppen lassen sich POPAM-Dendrimere unschwer perfunktionalisieren. So konnten Balzani, De Cola und Vögtle et al. hochfluoreszente PolyDansyl-„dekorierte“ POPAM-Dendrimere bis zur fünften Generation mit bis zu 64 peripheren Dansyl-Funktionen in reiner Form erhalten (Bild 4-3).[7] Es zeigte sich, dass deren Fluoreszenz mit dem Generationsgrad zwar stark zunimmt, jedoch nicht exakt mit der Anzahl der fluorophoren (Dansyl-)Gruppen. Offenbar wird die Fluoreszenz insgesamt durch Zusammenstöße aufgrund der engen Nachbarschaft der Fluorophore auf kleinem Raum teilweise gelöscht (Näheres siehe Kapitel 5).

4.1 Achirale Dendrimere

95 NMe 2

Me2N

NMe2 Me 2N SO 2

O 2S

HN

HN

NH Me2N

N

N

H

HN

SO 2

NMe2

SO 2 N

N

SO2

O2 S N H

O2S NMe 2

S O2 N

N

Me 2N

Me 2N

HN SO 2 Me 2N

H

G3 O2S G2

N

G1

H N O 2S NH O 2S N N

N

N N

N

N

N

N

N HN SO 2

Me 2N

NMe2

H O2 S N O 2S N

H N S O H 2 N N S O2 H N N SO 2

O2 S

NMe 2

NH

NMe2

Me 2N

Me 2N

H N O2 S

N

Me 2N O2 S N H

Me2N

H N

N N

NH

Me2N

H N SO2

N

H N SO

2

Me2N NMe2

N SO2 H

NMe2

NMe 2

H

O 2S NH O2 S N H O2 S

NMe 2

N H

N

N SO 2 H

NMe 2

NMe2

SO 2 NH

Me2N SO 2 HN O2 S HN O2 S HN O2 S

Me2N

NMe2

N

N

N

N

N

N

H N

O 2S

N N

NH NH O2 S

NMe2

N

N

N N

NH NH O2S NH NH O 2S O 2S O2S

H N

N

N

N

N

NMe 2

NMe 2

H N SO 2

N

N

O 2S NH

NMe2

H N SO 2

N

O2S NH

NMe2

HN SO2

N

O 2S N H

NMe2

NMe2 SO 2

N

N

N

N

O2S N H

NMe 2

HN SO 2

N

N

NMe2

HN

N

N N

N

N H

O 2S N H Me 2N

NMe2

SO 2 SO 2 SO 2 SO2 HN HN SO 2 NH HN SO 2 HN HN

Me 2N

Me2N

NMe 2

Me 2N

NMe 2

Me 2N

NMe 2

NMe 2

NMe 2

NH O 2S

NH O 2S

NMe2 S O2 NMe2

S O2

NH S O2

NMe 2

NMe 2 NMe2

NMe 2 NMe2 NMe 2

NMe2

NMe 2

NMe 2

Bild 4-3 per-mono-Substituierte Dansyl-POPAM-Dendrimere der 1. bis 4. Generation (auch die hier weggelassene 5. Generation wurde isoliert)

Kaifer et al. „dekorierten“ beispielsweise die Peripherie eines POPAM-Dendrimers mit Ferrocen- und Cobaltocenium-Einheiten. Ein solches Dendrimer vierter Generation (Bild 4-4)

96

4. Dendrimer-Typen und -Synthesen

stellte sich als geeignetes Gastsystem – mit zahlreichen Andockstellen – fürE-Cyclodextrin als Wirtverbindung heraus (s. Kapitel 8.3.6).[8] Co + Co + Co

+ HN

Co

O O +

H HN OO NH H N

H N

+

H

Co

Co+

+ N OO

Co

Co +

Co +

NH

N

H N

N N

Co

O O

N

N

H N

Co+

N O O

N

N

N

N

+

N

N H

H N

N

O O

Co

N

N N

HN +

+

O O N H

+

Co

Co

H N

N

N

+

N H

N N

+ Co

O O

N

N

H N

+

+

Co

N H

N N

O O

Co

N

N

H N

+

+

O O

N H Co

Co

H N

N

O O

+ Co

+

NH

O O

Co

Co

N N

HN OO N

+ Co

N H

N

H HN OO NH H

NH

+ Co

+

+

O O

+

Co Co+

O N O +

Co

+ Co

+

Co

NH

N N H

N H

N

Co

+ Co

Co

Bild 4-4 POPAM-Dendrimer vierter Generation mit terminalen Cobaltocenium-Einheiten

Ebenso gelang es, über Amidoferrocenyl-Einheiten Aza-Kronenether an die Peripherie eines POPAM-Dendrimers zu fixieren (Bild 4-5),[9a] oder auch die Außenschale eines POPAMDendrimers zweiter Generation abwechselnd mit acht E-Stilben- sowie acht 4-tertButylbenzensulfonsäure-Einheiten zu dekorieren.[9b] In den Kapiteln 5 bis 8 dieses Buchs sind noch diverse andere Beispiele für die Funktionalisierung von POPAM-Dendrimeren zu finden.

4.1 Achirale Dendrimere

97

O

O

O Cl O

Fe Cl

+

O

N

O

O

Fe

O

NH

O

O

Cl O

O

O

O

O

O

O O

N

POPAM Fe

O

O

H N O

n n = 4, 8,16

Bild 4-5 POPAM-Dendrimer mit terminalen Aza-Kronenether- und Ferrocen-Einheiten

4.1.2 PAMAM Das Akronym PAMAM für Polyamidoamin-Dendrimere (Bild 4-6) sollte eigentlich die im Molekül enthaltenen Amid-Bindungen betonen, um sie so von den POPAM-Dendrimeren (von Poly(propylenamin) abzugrenzen. Sie sind unter dem Namen „Starburst-Dendrimere“ im Handel.[10] Die üblichen PAMAM- sind – wie die POPAM-Dendrimere – ausschließlich aus AB2-Verzweigungseinheiten aufgebaut (vgl. auch Kapitel 1, Bild 1-4). Wie in den Tabellen 4.1 und 4.2 veranschaulicht, sind PAMAM-Dendrimere (mit Nitrilotripropionsäure-Kerneinheit; vgl. Bild 4-6) im Vergleich zu POPAM-Dendrimeren (mit 1,4Butandiamin-Kerneinheit; vgl. Bild 4-4) aus voluminöseren Molekülen aufgebaut. Bereits die nullte Generation eines derartigen PAMAM-Dendrimers (mit nur 4 Endgruppen) nimmt einen größeren Raum ein als die fünfte Generation eines POPAM-Dendrimers (mit 64 peripheren Gruppen). Dementsprechend zeigt die erste Generation obigen PAMAM-Dendrimers mehr als die vierfache Molekülmasse der ersten Generation eines POPAM-Dendrimers. Dieser direkte Generationenvergleich hinkt allerdings wegen der in der Literatur bisher nicht einheitlichen Definition der konkreten Generationszahlen bei Vorliegen unterschiedlicher Kerneinheiten. Es dürfte daher in vielen Fällen ratsam sein, sich beim Vergleich von Dendrimeren unterschiedlicher Kern- und Verzweigungseinheiten jeweils auf Vertreter mit gleicher Anzahl von Endgruppen zu beziehen, auch wenn die Generationszahlen differieren.

98

4. Dendrimer-Typen und -Synthesen

H 2N H 2N NH N H

O

H2N

NH 2

G3

N

NH

H2N

NH 2

O

O

NH

NH

O

N

O

NH H 2N

G2

O

O

NH NH

N H

O

O

H N N

O

O

NH O

O

NH

O

N

N N H

N H

O

O

N

HN

O

N

NH 2

HN

O

O O

N

HN

N H

N

H2N

HN

HN

O

HN NH 2

NH O N

O O

HN

O HN

HN

N

N

H N

O

O

N

N H

HN

NH 2

O

O HN

N

N

H2N

O

HN HN

O

O H 2N

NH 2

O O

H2N

O

N H

N

O HN

NH

N O

HN

H N

NH 2

G1

N NH

NH 2

N

O

H 2N

O

N

NH O

NH

O

H2N

NH

O

N

NH

O

N

H N

NH 2

NH

O

O

NH 2

HN

HN H2 N

NH 2

NH 2

Bild 4-6

PAMAM-Dendrimer dritter Generation (G3), mit trifunktioneller Kerneinheit (Nitrilotripropionsäureamid) und AB2-Verzweigungen

Die räumliche Ausdehnung eines Dendrimers und dessen Fähigkeit zur Ausbildung intramolekularer „Hohlräume“ hängt – wie schon in Kapitel 1.2 allgemein ausgeführt – von dessen konformativer Flexibilität und diese wiederum von der Beschaffenheit der Verzweigungseinheiten ab. Die „innere Oberfläche“ von „Hohlräumen“ in einem PAMAM-Dendrimer der sechsten Generation ist nach Tomalia et al. größer als die äußere Oberfläche.[11] In das Innere von PAMAM-Molekülen ließen sich unter anderem organische Moleküle,[12] auch Farbstoffe einlagern.[13] Diese formale Festlegung bedeutet aber keineswegs, dass in Lösung tatsächlich Hohlräume oder Poren (in Form von Vakuolen) im Dendrimer-Molekül vorgebildet wären. Jedoch können Lösungsmittel- oder größere Gast-Moleküle im Dendrimer-Molekül eingeschlossen werden, insbesondere wenn Anziehungskräfte zwischen Wirt und Gast, etwa aufgrund von Wasserstoffbrücken-Wechselwirkungen oder einer Säure/Base-Beziehung, wirksam sind.

4.1 Achirale Dendrimere

99

Tabelle 4.2 Anstieg von PAMAM-Parametern mit der Generationszahl (Dendrimer-Typ s. Bild 4-6).[3] Zum Vergleich ist in der 2. Spalte die Anzahl der Endgruppen 1ĺ3-verzweigter aliphatischer Dendrimere des Newkome-Typs angegeben (Formelbeispiele siehe Bilder 1-5 und 460)

Generation

Endgruppenzahl PAMAM

Durchmesser

Molmasse

[Å]

[g]

15

512

NewkomeTyp

0

4

1

8

12

22

1430

2

16

36

29

3256

3

32

108

36

6909

4

64

45

14215

5

128

54

28826

6

256

67

58048

7

512

81

116493

8

1024

97

233383

9

2048

114

467162

10

4096

135

934720

Tomalia modifizierte im Jahr 1985 für die ebenfalls divergente Darstellung (Bild 4-7) der PAMAM-Dendrimere die Synthesemethodik von Vögtle et al., indem er das für die MichaelAddidion eingesetzte Reagenz Acrylnitril durch Acrylsäuremethylester ersetzte (siehe auch Kapitel 1.1). Die einzelnen Ester-Stufen wurden von Tomalia auch als Generation 0.5 (vgl. Bild 4-7 oben rechts), Generation 1.5 usw. bezeichnet.[14] Durch die Synthese-bedingte Knüpfung von Amid-Bindungen können PAMAM-Dendrimere gut in polaren Lösungsmitteln wie Dichlormethan, Ethern sowie kurzkettigen Alkoholen solvatisiert werden; sie zeigen eine hohe Hydrolyse-Stabilität. Aber auch der konvergente Weg führt zu symmetrischen und unsymmetrischen PAMAMDendrimeren.[15] Jedoch lassen sie sich oft weniger leicht mit so hohem Reinheitsgrad wie die POPAM-Dendrimere herstellen, da es trotz der durch das Ethylendiamin (als flexiblem Abstandshalter) verlängerten Zweige – offenbar wegen gehinderter Rotation um die AmidBindungen – zu Rückfaltungen und Fehlstellungen im Dendrimer-Gerüst kommt, die sich von Generation zu Generation bis zu einer gewissen „Grenzgeneration“ (Kapitel 1) übertragen können. Die PAMAM-Grenzgeneration wird allerdings erst bei annähernd doppelt so hoher Generationszahl wie bei POPAM-Dendrimeren erreicht. Ab der zehnten Generation ist die POPAM-Oberfläche aber derart „verdichtet“, dass weitere Umsetzungen Probleme bereiten.

100

4. Dendrimer-Typen und -Synthesen

CH 3 O O O

O H2N

NH 2

+

O

CH 3

H 3C

N

O

N

O

CH 3

O O NH 2 H2N

NH 2

HN

O CH 3

O iterative Cyclen

- 4 CH 3OH H 2N

O

H N

N

N

N H

O O

NH 2

NH

NH 2

Bild 4-7 Synthese von PAMAM-Dendrimeren – mit tetrafunktioneller Kerneinheit Ethylendiamin (nach Tomalia et al.)

Kono et al. verglichen die thermosensitiven Eigenschaften von N-Isopropylamidsubstituierten (NIPAM-) PAMAM-Dendrimeren (G5) mit denen linearer Polymere (Poly(Nisopropylacrylamid, PNIPAAm). Bei ersteren tritt demnach ein viel kleinerer endothermer Peak um die kritische Mischungstemperatur auf. Offenbar behindert die kugelförmige Gestalt der Dendrimer-Moleküle eine effiziente Hydratisierung und Dehydratisierung der NIPAMGruppen in wässrigen Phosphat-Lösungen in diesem Temperaturbereich[16] (siehe Kapitel 6.3).

4.1.3 POMAM Eine strukturelle Besonderheit bieten dendritische Hybrid-Architekturen beider DendrimerTypen – POPAM und PAMAM –, die von Majoros et al. als „POMAM-Dendrimere“ bezeichnet wurden.[17] Ein Beispiel für diesen Dendrimer-Typ wurde von einer POPAMKerneinheit ausgehend mit PAMAM-Verzweigungen aufgebaut.[18] Vögtle et al. entwickelten POPAM/PAMAM-Hybrid-Dendrimere bis zur dritten Generation (Bild 4-8).[19]

4.1 Achirale Dendrimere

Bild 4-8

101

Synthese eines POMAM-Dendrimers erster Generation (Ellipse) mit alternierenden PAMAM- und POPAM-Einheiten (Kreise; nach Vögtle, Friedhofen)

Ausgehend von einem POPAM-Dendrimer der nullten Generation (Bild 4-8) wird in einem Aktivierungsschritt die Schutzgruppe durch Palladium-katalysierte Hydrierung abgespalten. Die darauffolgende Umsetzung mit einem Succinimid-Ester als Träger der AB2Verknüpfungseinheit führt zum „Hybrid-Dendrimer“ erster Generation. Wiederholung dieser Synthesesequenz eröffnet den Zugang zu POMAM-Dendrimeren höherer Generationen, wie in Bild 4-9 skizziert.

102

4. Dendrimer-Typen und -Synthesen

Bild 4-9 POMAM-Dendrimer zweiter Generation analog Bild 4-8 (nach Vögtle, Friedhofen)

4.1.4 Polylysin-Dendrimere Polylysin-Dendrimere sind wie die PAMAM-Dendrimere wesentlich durch Amid-Bindungen charakterisiert. Sie weckten als potentielle Therapeutika in der BorneutroneneinfangTherapie und beim Magnetresonanz-Imaging-Verfahren (MRI) Interesse (siehe Kapitel 8), da dendritische Polylysine offenbar geringere Toxizität aufweisen als lineare. Das in Bild 4-10 gezeigte Polylysin mit insgesamt 80 terminalen Bor-Atomen in den Carboran-Einheiten und einer Dansyl-Gruppe wurde für die Borneutroneneinfang-Therapie entworfen.[20]

4.1 Achirale Dendrimere

103

NH2 HN NH2

O H 2N

NH

O

O

O

O

N H

NH

NH

NH2

NMe2

O HN O H 2N

O

NH

NH2

HN

S O O

N H O H 2N

N H

H N

O

H N

N H

O

O

HN

O

O

O N H

O

N H SH

O

PEG

O

NH2

NH O NH2

HN

= BH = CR

O NH2

Bild 4-10 Polylysin mit insgesamt 80 Boratomen in der Peripherie (nach Qualmann et al.). Zur Verdeutlichung ist ein – peptidisch verknüpfter – Lysin-Baustein in einem der DendrimerZweige grün markiert (PEG = Polyethylenglycol)

Die Synthese dieser Dendrimere erfolgt durch Kondensation der Aminosäure Lysin, deren Amino-Funktionen zuvor mit tert-Butyloxycarbonyl-Schutzgruppen (Boc) versehen wurden, an einen (aktivierten) L-Lysin-p-nitrophenyl-Ester. Das resultierende Kupplungsprodukt (Bild 4-11) wird anschließend mit Trifluoressigsäure entschützt und dadurch aktiviert, um erneut reagieren zu können. Iteration des Aufbau- und Aktivierungsschritts ergab letztlich ein Polylysin-Dendrimer mit 1024 endständigen Butyloxycarbonyl-Gruppen.[21]

104

4. Dendrimer-Typen und -Synthesen

O

O H2N NH2

+

N H

2

O

NO2

O

H N

O O

HN

- 2 HO

O

NO2

O O

O O

N H

NH

O

H N O

O

NH

N H

NH2

CF3 COOH H 2N

O

H N

O

O

NH

N H

NH NH2 O

O

HN O

H 2N O

Bild 4-11 Schrittweiser Aufbau von Polylysin-Dendrimeren (nach Denkewalter et al.)

Balzani und Vögtle et al. untersuchten die Komplexierung von Neodym(III)- und anderen Seltenen Erdmetall-Ionen durch ein lumineszentes Polylysin-Dendrimer der Generation 2 mit 21 Amid- und 24 Dansyl-Einheiten (Bild 4-12). Die gleichfalls lumineszenten LanthanidIonen werden im Inneren des Dendrimer-Gerüsts koordiniert, was zu bemerkenswerten photophysikalischen Material-Eigenschaften führt (s. Kapitel 5.2).[22] Metall-Ionen haben ebenso wie Protonen einen großen Einfluss auf die Fluoreszenz von Dansyl-Gruppen in derartigen Dendrimeren (siehe Kapitel 6.2 und 3.3). Quantitative Messungen ergaben, dass ein CobaltIon neun Dansyl-Einheiten hinsichtlich ihrer Fluoreszenz löscht. Dies bedeutet, dass das Dendrimer Sensoreigenschaften gegenüber CoII+ und anderen Metall-Ionen aufweist. Auch mit den lumineszenten Kationen wie NdIII+, EuIII+, GdIII+, TbIII+, Er III+, Yb III+ beobachtet man solche „Intradendrimer-Löscheffekte“, d. h. sie löschen die Fluoreszenz einiger der DansylGruppen, und zwar derjenigen, die innerhalb des Dendrimers in die Nachbarschaft der dort koordinierenden Metall-Ionen gelangen können. Anscheinend können neun Dansyl-Einheiten diese Nachbarschaft bilden, womit dann der Raum um das Metall-Ion herum abgeschirmt ist, so dass die übrigen peripheren Dansyl-Reste in ihrer Fluoreszenz nicht beeinträchtigt werden. Mit NdIII+ erhält man eine nach Einstrahlung bei O = 340 nm langwellige nahe InfrarotEmission (Near Infrared Emission, NIR) bei O = 1064 nm.[22] Das Dendrimer fungiert also als dendritische Antenne für die optische Anregung von Neodymionen. Insgesamt hat man hier ein Nano-skaliges System vorliegen, in dem eine Wechselwirkung zwischen einem fluoreszenten Wirt und einem fluoreszenten Gast stattfindet und studiert werden kann.

4.1 Achirale Dendrimere

105

NMe 2

hQ (340 nm) O2S Me 2 N

O 2S Me2 N

O 2S O NH NMe 2

O

M

N

SO 2 NH

SO 2 HN

O

O NH NH SO 2

HN SO 2

hQ (1064 nm)

N

N H

O

N

HN O 2S O

NMe2

N H HN

HN O

O2 S NH HN

NH O2S

HN

O

O

NH HN

HN O 2S

O Me2N NH H N

Me 2N

Me 2N

NMe2

O2 S

O HN

HN O SO 2 Me 2N

O

N

O

NMe 2

O

O

NH HN

HN O

2+

N

Me 2 N

N

O 2S NH

O 2S HN

NH HN S O2

O

Me2 N

NMe 2

NMe 2

O SO 2 NH O

NH HN

NMe 2

HN

NMe2

O S O2

Me2 N

N H

SO 2 HN

H S N O2

Me 2 N

NH

HN SO 2

SO 2 NMe2

NMe 2 SO 2

NMe2

NMe 2

HN SO 2

NMe 2

Bild 4-12 Dansyl-dekoriertes Oligo-Lysin-Dendrimer (2. Generation) als dendritische Antenne mit Sensoreigenschaften gegenüber Metall-Ionen (nach Balzani, Vögtle et al.)

4.1.5 Dendritische Kohlenwasserstoffe Bisher existieren kaum rein aliphatische Kohlenwasserstoff-Dendrimere (s. auch Kapitel 6.2.3.3), wohl wegen grundsätzlicher synthetischer Probleme bei der unsymmetrischen C–CBindungsknüpfung. Die bisher beschriebenen dendritischen Kohlenwasserstoffe sind fast alle aus kondensierten oder verknüpften Aren- oder/und Mehrfachbindungs-Elementen aufgebaut, was synthetisch leichter zu bewerkstelligen ist. Solche Moleküle sind in der Regel konformativ wesentlich starrer, als es aliphatische Analoga mit [CH2]n-Bausteinen wären.

106

4. Dendrimer-Typen und -Synthesen

4.1.5.1 Kondensierte Aren-Bauteile – Iptycene Der auf wiederholten Diels-Alder-Reaktionen basierende Syntheseweg zum „Supertriptycen“ (C104H62) ist in Bild 4-13 skizziert. Bemerkenswert an diesem Molekül sind die drei symmetrisch angeordneten, relativ starren „Nischen“ zur eventuellen Einlagerung von Gästen und die enorme Thermostabilität (Zersetzung unter Stickstoff-Atmosphäre erst ab 580°C).[23]

O Cl

O

+ Xylen O

O

O NBS/CCl4 LiAlH4/AlCl3

DDQ

O

Cl

+

Cl

Li, THF

Br2/ ClH 2CCH2Cl

Bild 4-13 Synthese des Supertriptycens (nach Hart et al.)

4.1 Achirale Dendrimere

107

4.1.5.2 Dendrimere aus Aren- und Mehrfachbindungs-Bausteinen Konvergente Synthesen von Moore et al. verschafften einen Zugang zu formstabilen Phenylacetylen-Dendrimeren höherer Generationen (Bild 4-14). Die zunächst eingesetzten Dendrons mit peripheren p-tert-Butylphenyl-Einheiten zeigten nur begrenzte Löslichkeit und waren deshalb zum Aufbau höherer Generationen nicht geeignet. Minimale Änderungen der Peripherie mit 3,5-Di-tert-butylphenyl-Gruppen verbessern die Löslichkeit allerdings so drastisch, dass sogar ein Dendrimer aus 94 „Monomer“-Einheiten dargestellt werden konnte.[24]

I

I

3

I

[Pd(dba)2] / CuI

H

dba = Dibutylamin

Bild 4-14 Phenylacetylen-Dendrimer (nach Moore et al.) mit drei Monomer-Einheiten

Derartige Dendons wurden am fokalen Punkt derivatisiert, so dass ein Energiegradient innerhalb einer Art „Molekularer Antenne“ entsteht (Näheres s. Kapitel 5).[25] Percec et al. berichteten über eine Baustein-Bibliothek von elf mit – selbstorganisierenden – Dendrons substituierten (dendronisierten, dendrylierten)[26] Phenylacetylenen.[27] Meier et al. beschrieben Kohlenwasserstoff-Dendrimere mit trans-Stilben-Chromophoren im Kern und in der Peripherie. Aufgrund der flexiblen Arme konnten durch Bestrahlung intraund intermolekulare C-C-Bindungen geknüpft werden[28] (näheres siehe Abschnitt 4.1.5.3). Die monodispersen Polybenzen-Dendrimere von Miller und Neenan et al. sind symmetrisch um eine 1,3,5-substituierte Benzen-Kerneinheit angeordnet; bis zu 46 Benzen-Ringe wurden konvergent verknüpft (Bild 4-15).[29]

108

4. Dendrimer-Typen und -Synthesen B(OH)2 Br

1) BuLi 2)

Br

Br

O

O

CH3

N

Br

K 2S 2 O 7 Br

Br

Br

Br

Br

Br

Br

Pd(PPh 3)4

Bild 4-15 Polybenzen-Dendrimere (nach Miller, Neenan et al.). Einige C-C-Bindungen sind der Übersichtlichkeit halber – um Überschneidungen in dieser (energetisch ungünstigen) ebenen Konformation zu vermeiden – stark verlängert gezeichnet

Die formstabilen Müllenschen Polyphenylen-Dendrimere (eigentlich Polyaren-Dendrimere)[30] lassen sich sowohl konvergent als auch divergent aufbauen. Auf der Diels-AlderCycloaddition basierend wird eine Kerneinheit mit endständigen Ethin-Gruppen an ein Cyclopentadienon addiert, welches ebenfalls Träger von geschützten Dreifachbindungen sein kann. Die Variationsmöglichkeiten zeigt Bild 4-16. Durch Abspaltung der Schutzgruppen (mit Ammoniumfluorid) stehen erneut Acetylen-Gruppen zur Verfügung, die zum Aufbau höherer Dendrimer-Generationen eingesetzt werden können. Obwohl (unsubstituierte) lineare Oligophenyle, beginnend mit p-Terphenyl, auch in lipophilen Lösungsmitteln zunehmend schwerlöslicher werden, lassen sich die PolybenzenDendrimere auch höherer Generationen, vor allem bei peripherer Substitution (t-Butyl-, Oligomethylen-) in dieser Hinsicht im Allgemeinen gut handhaben. Dies ist darauf zurückzufüh-

4.1 Achirale Dendrimere

109

ren, dass sich die Moleküle in der Realität wegen des Raumbedarfs der Benzen-Ringe – anders als in unseren der Einfachheit halber üblicherweise plattgedrückten Formelzeichnungen (z. B. Bilder 4-15 und 4-17) – aus der Ebene herausdrehen, womit eine ansonsten bei scheibchenförmigen Spezies häufig stattfindende Aggregation ausgeschlossen ist.

Si

Si O

O

O

Dienophil-Funktion

Dien-Funktion Tetraphenylcyclopentadienon "Tetracyclon"

Si

Si Si

Si

Bild 4-16 Diene und Dienophile – und entsprechende „Zwitter“ mit beiden Funktionen – für den Aufbau von Polyphenylen-Dendrimeren (nach Müllen et al.)

Beim divergenten Weg (Bild 4-17) werden eine ungeschützte tetra-ethinylierte Tetraphenylmethan-Kerneinheit (als Dienophil) und ein zweifach-geschütztes ethinyliertes Cylopentadienon (als Dien) zum geschützten Polybenzen-Dendrimer (erster Generation) cycloaddiert. Die anschließende Abspaltung der Tri-isopropylsilyl-Schutzgruppen (mit Ammoniumfluorid) erzeugt neue dienophil aktive Funktionen an der Peripherie. Iteration der beiden Schritte – Diels-Alder-Reaktion[31] und Endschützung – eröffnet den Zugang zu „PolyphenylenDendrimeren“ bis zur vierten Generation. Allerdings wird im letzten Schritt zum Aufbau der entsprechenden Endgeneration kein funktionalisiertes, sondern unfunktionalisiertes Tetracyclon als Dien eingesetzt.[32] Durch den Einbau von 2’,5’-Dimethyl-p-terphenyl-Spacern in jede Verzweigungseinheit gelang die Synthese von Oligobenzen-Dendrimeren der fünften Generation. Da die Spacer das Makromolekül aufweiten und so der Grad der Grenzgeneration nach „oben“ verschoben werden kann, erfolgt dabei keine räumliche Verdichtung durch zu eng aneinander liegende Endgruppen.[33]

110

4. Dendrimer-Typen und -Synthesen

Si O Si

4 Si

Si

+

vierfache Diels/Alder Reaktion

Si

Si

Si

Si

Si

En

c ts

hü

tz

en Si

achtfache Diels/Alder Reaktion O

+

Tetracyclon

Bild 4-17 Divergente Syntheseroute zu „Polyphenylen-Dendrimeren“ (nach Müllen et al.)

4.1 Achirale Dendrimere

111

Die konvergente Synthese (Bild 4-18) benutzt zum Aufbau der Dendrons ebenfalls Cyclopentadienone, jedoch werden hier zwei Moleküle des Diens via Diels-Alder-Reaktion an 4,4’Diethinylbenzil addiert. Das erhaltene Dendron der zweiten Generation wird in einer zweifachen Knoevenagel-Reaktion mit Dibenzylaceton umgesetzt. Das daraus gewonnene neufunktionalisierte Cyclopentadienon-Dendron addiert sich wieder nach Diels-Alder (vierfach) an die tetra-ethinylierte Tetraphenylmethan-Kerneinheit.[34a] O

2

+ O

O

O

+

O

O

O

4

O

+

Bild 4-18 Konvergente Syntheseroute zu Polybenzen-Dendrimeren (nach Müllen et al.). Das gezeigte Molekül liegt in Lösung – wegen der gegenseitigen sterischen Behinderung der zahlreichen Benzen-Ringe – nicht eben, sondern eher kugelig (sphärisch) vor

112

4. Dendrimer-Typen und -Synthesen

Gewisse Grenzen sind der konvergenten Methode für diesen Dendrimer-Typ durch den Synthesebaustein der über entsprechend substituierte Benzile hergestellten Cyclopentadienone gesetzt. Bei größeren Substituenten liegt das Benzilderivat aus sterischen Gründen überwiegend in der s-trans-Konformation vor, was die zweifache Knoevenagel-Reaktion erschwert, die eine s-cis-Konformation voraussetzt (Bild 4-18). Die konvergente Synthese wird aus diesem Grund nur für niedrige Generationen eingesetzt.[34b] Um die schon im Kapitel 2 vorgestellten divergenten und konvergenten Synthesekonzepte an einem konkreten Fall zu illustrieren, haben wir in obigen Beispielen für beide Routen dieselben Kerneinheiten eingesetzt. Es können aber in beiden Fällen auch andere (Bild 4-19) verwendet werden, was zu unterschiedlichen formstabilen Dendrimer-Gerüsten führt, die entsprechend eher eine aufgeweitete oder eher kugelige (sphärische) Gestalt annehmen, was Kristallstrukturen belegen.[32, 35] Durch die hohe Anzahl der Benzen-Ringe auch im inneren Dendrimer-Gerüst sind weder die von Moore, noch die von Miller und Neenan aufgebauten Dendrimere befähigt, Gäste supramolekular einzuschließen, da erstere keine Hohlräume ausbilden und in letztere durch die verdichtete Oberfläche kaum Gastmoleküle gelangen können.

Bild 4-19 Weitere Kerneinheiten für die Synthese von Polybenzen-Dendrimeren

Polybenzen-Dendrimere lassen sich an der Peripherie beispielsweise durch Peptid-Einheiten funktionalisieren, was zu einem Dendrimer mit bis zu 16 endständigen Lysin-Einheiten führte.[36]

4.1.5.3 Stilbenoide Dendrimere Meier und Lehmann gelang der Einbau von stilbenoiden Chromophoren in Dendrimere.[37] Die E-konfigurierten Doppelbindungen wurden dabei durch Wittig-Horner-Reaktion aufgebaut. Als Initiatorkern wurde der einfach zugängliche Benzen-tris(methanphosphonsäurediethylester) 1 verwendet. (Bild 4-20). Zum Aufbau der Arme dienten ein trisubstituierter Aldehyd (2) und ein Bisphosphonsäurederivat (3) mit geschützter Aldehydfunktion; über letzteres wurden höhere Aldehyde wie 4 erhalten. An der Peripherie wurden Tris(dodecyloxy)phenyl-Reste angebracht, die für Löslichkeit sorgen – und zur Bildung von Flüssigkristall-Phasen führen. Die E-Selektivität der Wittig-Horner-Reaktion reichte aus, um innerhalb der NMR-Nachweisgrenzen konfigurationsreine all-E-isomere Dendrimere 5 zu

4.1 Achirale Dendrimere

113

erhalten. Die 1H- und 13C-NMR-Spektren belegen die dreizählige Symmetrie der Dendrimere, deren chemische Verschiebungen innerhalb der Verbindungsreihen dementsprechend ähnlich sind. Die MALDI-TOF-Technik eignete sich gut zur Bestimmung der Molekülmassen. Stilbenoide Dendrimere sind zu Aggregationen befähigt. In reiner Form bilden einige je nach Generationsgrad Flüssigkristall-Phasen (Dhd: diskotisch hexagonal ungeordnete Phase; Drd: diskotisch rechteckig ungeordnete Phase; Dob: diskotisch verzerrte Phase). Aus differentialkalorimetrischen Messungen (DSC; Differential Scanning Calorimetry) erhielt man Phasenübergänge zwischen 99°C und 0°C. R

R

R R R O P C 2H 5O

O

O P

R

OC2 H5 OC2H5

O OC2H5

R

P

R

1

O

MeO MeO

H

OC2H5

C 2H 5 O

O P

OC2H5 OC2 H5

R O H

OC 2H5

P OC2H5

H

2

R R

3 R R R

R

R

R

R

RR

R

R R

R

R

4

R

R R

R

R

R

R R

1+4

R

R

R

R R

R R R R R R

R R

R R

R R

R R = OC12H25

5

Bild 4-20 Stilbenoide Dendrimere (nach Meier und Lehmann)

114

4. Dendrimer-Typen und -Synthesen

Bei 5 scheint die sterische Behinderung im peripheren Bereich zu hoch zu sein, um eine LCPhase (von Liquid Crystal) zu bilden. Mesophasen wurden durch Polarisationsmikroskopie und Röntgen-Streuung charakterisiert. Vermutlich kommen die LC-Eigenschaften durch die Segmentbeweglichkeit bei zunehmender Zahl der Stilben-Bausteine zum Erliegen; pro Doppelbindung verdoppelt sich prinzipiell die Anzahl der Konformere, wobei allerdings aus Symmetriegründen die Maximalzahl von 2n (z. B. 221 für die dritte Generation) nicht erreicht werden kann. Die Tendenz zur Aggregation in Cyclohexan nimmt mit der Generationszahl zu. Sie bewirkt eine starke Linienverbreiterung, die auf die Behinderung der Segmentbeweglichkeiten zurückgeht. Bei 5 ist der Effekt so stark ausgeprägt, dass in C6D12 auch durch Erwärmen kein scharf aufgelöstes 1H-NMR-Spektrum mehr erhalten wird. Die Aggregation in unpolaren Medien lässt sich temperatur- und konzentrationsabhängig auch in den Fluoreszenz-Spektren verfolgen. Dendrimere des Typs 5 sind strukturell am ehesten mit steifen Dendrimeren aus TolanBausteinen zu vergleichen. Allerdings sind bisher weder die bei den stilbenoiden Dendrimeren beobachtete Form der Aggregation, noch das Phasenverhalten oder die Photochemie dieser Verbindungen in ähnlicher Form bei den Tolan-Systemen gefunden worden. Die Stilben-Kohlenstoff-Einheit wurde auch an POPAM-Kerne peripher gebunden. Obwohl es sich insgesamt nicht – wie oben – um Kohlenwasserstoff-Dendrimere handelt, sei hier (Bild 4-21) das Formelbeispiel eines G2-Dendrimers dieses Typs wiedergegeben. Es wurde durch Akkylierung des entsprechenden achtfachen mono-Sulfonamids mit 4(Brommethyl)stilben gewonnen. Seine Fluoreszenz, E/Z-Isomerisierung, Photoisomerisierung (siehe Kapitel 5.2.2) und die Excimer-Bildung wurden mit nicht-dendritischen Stilbenen verglichen. Die Quantenausbeuten der Photoisomerisierung (0,30) und der Fluoreszenz des E-Isomers (0,014) des Dendrimers erwiesen sich als deutlich geringer.[38]

SO2 N S O2

N SO 2 N

N

N

N

O2 S N

N

N

S O2

N N

N O 2S

N

O2S N O 2S

Bild 4-21 Stilben-dekoriertes POPAM-Dendrimer zweiter Generation (nach Balzani, Vögtle et al.)

4.1 Achirale Dendrimere

115

Stilbenoide Verbindungen haben eine interessante Photophysik und Photochemie,[37, 38] sie eignen sich daher für Material-wissenschaftliche Anwendungen. Neben etablierten Einsatzgebieten wie bei optischen Aufhellern ergeben sich solche in Licht-emittierenden Dioden (LED), in der nicht-linearen Optik (NLO) und in optischen Abbildungs-, Speicherungs- und Schalttechniken.

4.1.5.4 Hyperverzweigte Polybenzene Den Grundstein für die ersten hyperverzweigten Polyarene („Polyphenylene“) legten Kim und Webster mittels Suzuki-analogen Aryl-Aryl-Kupplungen. Daraus entwickelte micellare Strukturen[39] werden im Abschnitt 4.1.8 (Ionische Dendrimere) beschrieben. Erste Arbeiten auf Basis Diels-Alder-Reaktion machten den Zugang zu linearen Polybenzenen via Copolymerisaton möglich (Bild 4-22).[40] Als Dienophil fungierte Diethinylbenzen, als Diene dienten Bis(cyclopentadienone).

O

+

O

- CO

Bild 4-22 Lineare Polyphenylene (nach Stille et al.)

Da die [4+2]-Cycloaddition nicht sehr anfällig gegenüber sterischer Hinderung ist, wird dieses Synthesekonzept inzwischen vermehrt zum Aufbau hyperverzweigter Verbindungen herangezogen.[41] Ein Dien, das zwei dienophile Funktionen in einem Molekül kombiniert, wurde als AB2-Monomer für die Polymerisation genutzt (Bild 4-23). Die Dien-Funktion kann dann mit einer Dreifachbindung eines zweiten AB2-Monomers zu PentaphenylbenzenEinheiten reagieren.[30]

n

116

4. Dendrimer-Typen und -Synthesen n

n

O

R

n

'T

R

n

R

(Ph 2O)

R R

R n

R

R

R = H, CH 3, Ph

n

Bild 4-23 Kombination von Dien und Dienophil in einem AB2-„Monomer“ (links); Umsetzung mit sich selbst zum Polyphenylen-Dendrimer (rechts)

4.1.6 Kohlenstoff-/Sauerstoff-basierte (und Fréchet-) Dendrimere 4.1.6.1 Polyether-Dendrimere Zu den in der Dendrimer-Synthese häufig eingesetzten Verbindungen gehören die PolyetherDendrons des Fréchet-Typs. Fréchet et al. nutzten erstmals die konvergente Synthese, indem sie Polyarylether-Gerüste von außen nach innen aufbauten (Bild 4-24). Die Attraktivität dieses Dendrimer-Typs beruht nicht zuletzt auf der – trotz der empfindlich aussehenden Benzyl-ether-Einheiten – verlässlichen und recht perfekten Architekturen, die bei bisherigen Synthesen erhalten wurden. Das reaktive Zentrum für den Aufbau liegt anders als bei divergenten Synthesen nicht in den Endgruppen, deren Verdichtung ab einer bestimmten Grenzgeneration eine Weiterreaktion verhindert – oder durch Rückfaltung oder nicht quantitative Umsetzungen Defekte im Dendrimer zur Folge hat – , sondern die Reaktion findet ausschließlich im jeweiligen fokalen Punkt statt. Dieser Dendrimer-Typ wird als multifunktionale Plattform diverser dendritischer Moleküle genutzt und ist dementsprechend auch in diesem Buch – wie die POPAM- und PAMAM-Dendrimere – in fast allen Kapiteln wiederzufinden. Die repetitive Zweistufen-Synthese von Fréchet-Dendrons basiert im ersten Schritt auf der Umsetzung eines 3,5-Dihydroxybenzylalkohols mit Benzylbromid. Überführung des verlängerten Benzylalkohols in das entsprechende verlängerte benzylische Bromid ermöglicht die Iteration der Reaktion mit dem Monomer.[42]

4.1 Achirale Dendrimere

HO

K2CO3 [18]Krone-6

OH

+ 2 OH

117

Br

O

CBr4 / PPh3

O

O

O

OH

K2CO 3 [18]Krone-6 HO

OH

G1

Br

O

O

O

O O

O

OH OH

CBr4 / PPh3

O

O

O

O O

O

G2 Br

Bild-4-24 Konvergente Synthesestrategie für Polyether-Dendrons (nach Fréchet et al.)

Eine alternative Synthese von Polyether-Dendrimeren kann über die bereits in Kapitel 2 erwähnten „Hyperkerne“ verlaufen (Bild 4-25).[43] Hierzu reagiert ein aktiviertes Dendron (bzw. -Vorläufer wie 1) mit der Kerneinheit 1,1,1-Tris(4’-(hydroxyphenyl)ethan (2). Der dadurch erhaltene geschützte Hyperkern 3 wird zur Aktivierung mittels katalytischer Hydrierung von seinen Benzyl-Schutzgruppen befreit. Der so aktivierte Hyperkern kann dann mit dem ursprünglichen aktivierten „Dendron“ 1 zum Hyperkern 5 zweiter Generation heranwachsen. Diese Methode wurde bisher auf dendritische Architekturen bis zur dritten Generation ausgedehnt.

118

4. Dendrimer-Typen und -Synthesen OCH 2 Ph

OCH 2 Ph

OH

K 2CO 3 [18]Krone-6

+

Br

O

PhH 2 CO

PhH 2 CO

Pd / C

HO OCH 2 Ph

O

OH

1

2

O OCH 2Ph

PhH 2 CO OCH 2 Ph

3 OH

OCH 2 Ph O

HO

Br

HO

PhH 2 CO OCH 2 Ph

O

1 OCH 2 Ph

O O

OCH 2 Ph

OH HO OH

PhH 2CO

4 O

O PhH 2CO

O OCH 2 Ph O O

PhH 2 CO

O

OCH 2 Ph

O O OCH 2 Ph PhH 2 CO OCH 2 Ph

5 (G2) PhH 2CO

Bild 4-25 Synthese von Polyether-Dendrimeren ausgehend von einem „Hyperkern“ (nach Wooley, Fréchet et al.)

Molekulare Erkennungsvorgänge zwischen amphiphilen Biaryl-Dendrimeren 2 (mit Carbonsäure-Einheiten) als Wirtverbindungen und dem Protein Chymotrypsin als Gast wurden mit

4.1 Achirale Dendrimere

119

denjenigen entsprechender Benzylether-Dendrons 1 verglichen (Bild 4-26).[44] In den BiarylDendrimeren sind sowohl die Carbonsäure-Gruppen der Peripherie als auch die der inneren „Schichten“ für eine Molekulare Erkennung erreichbar. Im Gegensatz zu den amphiphilen Benzylethern mit gleicher Anzahl (acht) peripherer Carboxyl-Gruppen zeigten die BiarylDendrimere unabhängig von der Generation eine hohe Gastbindungs-Affinität. Der Vergleich zeigte zudem, dass die Biaryle dritter Generation sechs Moleküle des Proteins binden können, das entsprechende Benzen-Dendron der dritten Generation dagegen nur drei. O

OH

O

O

OH

O

OH

OH O

O

O

O

O

O

OH

O

O

O

O

OH

O

O

O O

O O

O

O

O O

O

O OH

O HO

HO

O

HO

O O

O

O

O

O

O

OH O

O

HO

O

O

O

O

O

O O

O

O

O

O

OH

O

O O

O OH

O

O

O

O

OH

OH

O

O O

O

O

O

O

O

O

O O

OH

O O

O

O

HO

HO

OH

O

O O

O

O

O

HO

O O

O

O

O

O O

HO

O

1

O

OH

O

O O

OH

2

OH

Bild 4-26 Amphiphile Biphenyl-Dendrimere 2 im Vergleich mit entsprechenden Benzen-basierten Fréchet-Amphiphilen (1; nach Thayumanavan et al.). Zur Veranschaulichung sind einige der Benzen- und Biphenyl-Einheiten grau hinterlegt

120

4. Dendrimer-Typen und -Synthesen

4.1.6.2 Polyester-Dendrimere[45] Dendrimere wurden aufgrund ihrer modellier- und funktionalisierbaren Architektur für therapeutische Anwendungen und als Wirkstoff-Transporter in Betracht gezogen, wenn auch gerade die Vielfalt der Variations- und Optimierungsmöglichkeiten einen gewissen Aufwand erfordert. O O O O O O O

O

O

O

OH

+

OH

HO

O O

O

2

O

O O

O

O

O

1

O

O O

DCC

O

O O O

O

O O

O

O

O

3 O O

O

O

O

O O

O

O O

Pd(PPh 3)4

O

O

O

O

O O

O

O

Morpholin

O

O

HO

Ph

O O

O

Ph O

5

O

4

H 2, Pd/C

O

O O O O

O

O

O

O O

O O

O

HO

O O

O

O

HO O

O

HO

H 2, Pd/C

O O

O

HO

O

O

O

6

O

O

HO

O O

O O

O O

O

HO

+5

O

O

O

O

O O O

O

O

O O O

O

7

O

O O

O O

O

HO

O O

HO O

O

O HO

+5

HO

O

HO

O

O O O

O

O O O

O

O

O

HO

O HO

O

O

O

O O

O

O O

H 2, Pd/C

O

O

O

O

O

8

O O

HO

Bild 4-27 Synthese von Polyester-Dendrimeren (nach Fréchet et al.)

O

4.1 Achirale Dendrimere

121

Fréchet et al. untersuchten Oligoester-Dendrimere in Bezug auf dieses Potential.[46] Diese waren aus zwei kovalent aneinander gebundenen Dendrons zusammengesetzt, deren „Aufgabenverteilung“ zum einen in der Bildung einer „Plattform“ für therapeutisch aktive Einheiten liegt, während das andere Dendron zur Fixierung von Oligoethylenglycolether-Ketten dient, welche für die Löslichkeit verantwortlich sind. Auf beiden, konvergenten und divergenten Wegen, konnten so Polyester-Dendrimere als potentielle Wirkstoff-Transporter mit Molekülmassen von 20 bis 160 kDa hergestellt werden. Dazu wurde eine konvergente Kupplung des einfach-geschützten Triols 1 an die in Bild 4-27 gezeigte Isopropyliden-geschützte Carbonsäure 2 vorgenommen. Der daraus entstandene geschützte Kohlensäure-allylester 3 wurde mit Pd(PPh3)4 in Gegenwart von Morpholin zum freien Mono-Alkohol 4 entschützt. Die erzeugte freie Hydroxyl-Gruppe im fokalen Punkt wurde mit Dibenzyliden-2,2-bis(oxymethyl)propionsäureanhydrid 5 zum Dendron 6 mit zwei Hydroxyl-Gruppen im fokalen Punkt umgesetzt. Die Abfolge von Kupplung und Entschützung ergab schließlich das neue Polyester-Dendrimer 8 (Bild 4-27). Gut definierte aliphatische Polyester und Dendrons basierend auf 2,2-Bis(methylol)propionsäure, kurz bis-MPA (A von Acid) genannt, sind bei der schwedischen Firma Polymer Factory kommerziell erhältlich. Sie zeichnen sich durch Lagerungsstabilität, Wasserlöslichkeit und geringe Toxizität aus, was sie auch für den medizinischen Sektor attraktiv macht.

4.1.6.3 Kohlenhydrat-Dendrimere (Glycodendrimere) Molekülgerüste von Kohlenhydrat-Dendrimeren sind vielseitig variierbar: Kohlenhydrate können als Kerneinheit, Verzweigungsstellen oder terminale Gruppen fungieren.[47] Überdies eignen sie sich zum supramolekularen Binden und zum Transport von Wirkstoffen. Wie unten im Abschnitt 4.1.9 (Silizium-basierte Dendrimere) gezeigt wird, gibt es inzwischen zahlreiche Beispiele für Kohlenhydrat-ummantelte Dendrimere (Glycodendrimere),[48] nicht zuletzt, weil diese endständigen Gruppen den Molekülen bessere Löslichkeit verleihen, da sie sozusagen „verzuckert“ sind. Das erste Glycodendrimer wurde von Roy et al. hergestellt.[49] Zugang zu Kohlenhydratterminierten Dendrimeren bietet das über mehrere Stufen erhaltene triglycosilierte Trihydroxy-amin 3[50], welches dann als Dendron dienen kann. Via DCC-Kupplung (Dicyclohexylcarbodiimid) ließen sich die Amino-Dendrons an die Tricarbonsäure-Kerneinheit fixieren (Bild 4-28).[51]

122

4. Dendrimer-Typen und -Synthesen O Cl

RO

O O

HO

HO

N H

NH 2 HO

HO

RO

O

RO RO

ORBr

OR

RO O

O NH 2

O O

RO RO

HO

HO

O

RO RO

OR

O

O RO

OR

1

RORO

2

3 RO RO RO O RO

OR

RO

HO

OR

OR

RO

O

O

RO OR

RO

OH

O

N H

N H

O

O NH

RO OR

HN

OR OR RO

H

O

N

OR

O O

N H O

O H

O

4

OH

O

O

O

O

OR

OR

O

O O

O

RO

O

RO

NH

OR

OR

O

N

O

O N

H

DCC

O OR O

O

O

OR

O

O

OR

OR

OR OR

RO RO OR

RO

RO OR

5

Bild 4-28 Kohlenhydrat-terminiertes Dendrimer (nach Stoddart et al.)

Glycopeptid-Dendrimere mit Kohlenhydrat-Anteilen sowohl im Kern als auch in den Verzweigungseinheiten wurden von Lindhorst et al. auf einem verallgemeinerungsfähigen Syntheseweg dargestellt.[52] Die iterative Synthesesequenz basiert auf dem orthogonal geschützten Kohlenhydrat-Baustein 1 (AB3-Monomertyp). Dieser lässt sich nach entsprechender Aktivierung mit Kohlenhydrat-Einheiten sowohl divergent als auch konvergent zum Dendrimer aufbauen. Die eigentliche Kupplung von Kerneinheit und Dendrons verläuft zwischen 2 und 3 unter Peptidbindungs-Knüpfung (siehe rot und grün markierte Funktionelle Gruppen in Bild 4-29). Letztere ermöglicht auch die Übertragung der Synthese auf eine solche an fester Phase. Als Kupplungsreagenzien wurden HATU (=O-(7-Azabenztriazol-1-yl)-N,N,N’,N’tetramethyl-uronium-hexafluorphosphat) und DIPEA (= Diisopropylethylamin) eingesetzt.

4.1 Achirale Dendrimere

123 OCH 3

OCH 3

O

O N

OCH 3

F 3CCO 2H/SMe 2

OCH 3

O

O

AcO AcO

O

O

N

2

+

O

O

AcO AcO

NH 2

OAc

HATU, DIPEA

O OH

O

N H

OAc

OH

O

1

O N O

O

AcO AcO

O OAc

OCH 3 O

AcO AcO

O

N

O N

AcO O AcO

O

3

OCH 3

AcO AcO

N H

OCH 3

O O

O

O

OCH 3

HN

NH O

O N O

O

AcO AcO

NH 3/ MeOH

O OAc

N H

O

4 OCH 3 O

OCH 3 HO HO

O

N

O N

HO

HO HO

O HO

OCH 3

O O

O

O

OCH 3

HN

NH O

O N O

O

HO HO

O OH

N H

O

5

Bild 4-29 Synthese eines Glycopeptid-Dendrimers (5) der ersten Generation (nach Lindhorst et al.)

Die Synthese eines Kohlenhydrat-Dendrimers, das ausschließlich aus Mannopyranosiden besteht, gelang auf konvergentem Weg.[53] Kohlenhydrat-Kerneinheiten[54] sind im Vergleich zu den Kohlenhydrat-terminierten Dendrimeren bisher seltener publiziert worden. Das erste PAMAM-Dendrimer mit KohlenhydratKerneinheit wurde aus dem Į-D-Glycosid 1 als Kerneinheit-Vorstufe dargestellt. Durch Itera-

124

4. Dendrimer-Typen und -Synthesen

tion konnten PAMAM-Dendrimere mit D-Glucose-Kern bis zur zweiten Generation gewonnen werden; Bild 4-30 zeigt die erste Generation.[55] MeO MeO

O

H 2N O O

+

O O O

OO

O

O

O

NH2

O

OO

H 2N

N

1 MeO

NH2 H 2N

H2N

H 2N

O

N

O

N

NH2 O

O O

O

NH O

N H H 2N

O

2

O

O

H N

NH2

OMe

N

O

H N

O

O O MeO

N

MeO

HN NH

OMe OO

O

MeO

H 2N

O

N

MeO

H2N

H 2N

N

O

MeO

O

H 2N

OO

N

N H H2 N

O

O

N

2. iterativer Cyclus

N

O

NH

O

.....

NH NH2

HN

NH2

3

Bild 4-30 PAMAM-Dendrimer erster Generation mit D-Glucose-Kerneinheit (nach Lindhorst et al.)

4.1.7 Porphyrin-basierte Dendrimere Sakata et al. gelang die Synthese, Charakterisierung und Einzelmolekül-STM-Abbildung eines defektfreien hochsymmetrischen, para-Phenylen-gespacerten Porphyrin-HeneicosamerNickelkomplexes (C1244H1350N84Ni20O88; Molmasse 20061 Da; Bild 4-31) einschließlich entsprechender niedriger Generationen. Das Molekül enthält 21 Porphyrin-Einheiten. Die Synthese nutzt die Kondensation Formyl-substituierter Phenyl-Endgruppen mit PyrrolEinheiten, wobei bei diesen Reaktionsschritten nahezu quantitative Ausbeuten erhalten wurden. Die Gesamtausbeute aller 17 Stufen betrug 17%.

4.1 Achirale Dendrimere

125 R

R

R

R

N

N Ni

N

R

R

N R

R

N

R

N

N

N

Ni N

R

N

N

R

N

Ni

N Ni

N

N

N R

R

R

R

R R

N

N

R

R

R R

N

R

R

R

N

Ni

R

N

R

R

N

R

R

R

N

Ni N

R

R N Ni

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R

N

R

R

N R

R

R

R

R

N

N

N

N

N

Ni N

R

N

N

N

N

Ni

N

N

HN

N

Ni

N

N

Ni N

NH

N

N

N

N

N

R

N

Ni

N Ni

N

N

N R

R

R

R R

R

R

N

R R

N Ni

N

R

R R

N

R

R

N

R

R

R

R

R

N

N

N

Ni N

N

R

R

N

N Ni

N

R

N

R

R

N

N Ni

N R

R

R

R

N

N

N

N

N

Ni

R

R

N Ni N R

R

R

R R

N

N

R

R

Ni N

R

N R

R = O

R

R

Bild 4-31 „Mandala-Dendrimer“ (Heneicosamer; nach Sakata et al.)

Die STM-Aufnahme einzelner Moleküle gelang auf einer Kupfer-(111)-Oberfläche und zeigt Nanometer-große flache „Mandala“-artige Quadrate mit Abmessungen von 6,5 nm (Seiten) und 8,3 nm (Diagonale). Der Nickel-Nickel-Abstand zwischen zwei benachbarten Molekülen beträgt 13-18 nm. Der molare Absorptionskoeffizent liegt bei 3,56 Millionen, was dem 13fachen Wert des monomeren Porphyrin-Komplexes selbst entspricht.[56] Weitere Porphyrin-basierte Dendrimere sind in den Kapiteln 4.1.7 und 5.2 zu finden.

4.1.8 Ionische Dendrimere Ionische Dendrimere[57] können positive oder negative elektrische Ladungen im Molekülinneren (Kern, Verzweigungen) oder als terminale (Funktionelle) Gruppen tragen.

126

4. Dendrimer-Typen und -Synthesen

4.1.8.1 Polyanionische Dendrimere Einige polyanionische Dendrimere fungieren als „micellare Moleküle“[58]. Newkome et al. synthetisierten zuerst wasserlösliche Dendrimere, in deren sich ausbildenden hydrophoben molekularen Nischen Gäste eingelagert werden können. Die Peripherie solcher Dendrimere wurde mit Carboxylat-Funktionen bestückt (siehe Kapitel 6, Bild 6-20).[59] Auch entsprechende dendritische Polyether werden durch terminale Carboxylat-Gruppen gut wasserlöslich.[60] Hirsch und Guldi et al. setzten polyanionische Dendrimere mit Fulleren-Kern ein, um den photoinduzierten Elektronentransfer (PET, s. Kapitel 5) und ihr Komplexierungsverhalten mit Zn-Cyctochrom C als Gast zu prüfen. Partiell deprotonierte, negativ geladene Monoschichten der in Bild 4-32 gezeigten „Amphifullerene“ binden an der Luft/Wasser-Oberfläche Cytochrom C, ein polykationisches Redoxprotein. Die Bindung resultiert aus elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen den gegensätzlich geladenen Partnern. Das Hexakis-malonesterAddukt Amphifulleren erfährt dabei – anders als entsprechende Mono-malonester-Addukte des Fullerens (Bild 4-33)[61] – starke Veränderungen in seinen Eigenschaften als ElektronenAcceptor. OH HO HO

O

O

HN

O

O

O HO

O

OH

HO

O O

OH

OH

HO

O

HN

OH

HO

OH

O O

NH O

O

O

O

O O

HN

OH H N

O H N

HO O

OH O

HO

HN

O

O O

O HO

NH

O O

O O

O

O

OH

O

O

O

O

O

O

O O

O O

O O O

O

O O O

O

O

O

Bild 4-32 Amphifulleren (nach Hirsch et al.)

Die Darstellung entsprechender Mono-Addukte des Fullerens – für Untersuchungen über elektrostatische Wechselwirkungen – erfolgte durch Cyclopropanierung des Fullerens mit entsprechend funktionalisierten Malonestern 1 (Bingel-Reaktion) zu 2. Kupplung mit dem tert-Butyl-geschützten Oligoamid-amino-Dendron 3 und anschließende Hydrolyse führt zu dem wasserlöslichen Fulleren-Dendron 5, das nach Deprotonierung bis zu neun negative Ladungen tragen kann. Nach Assoziation mit dem Zink-Komplex des Cytochroms C lässt

4.1 Achirale Dendrimere

127

sich ein photoinduzierter Elektronentransfer (PET) vom Redoxprotein zum Fulleren realisieren, der Fluoreszenz-spektroskopisch studiert wurde. O

O

O

O

O

O

O

O

C 60, CBr4, DBU

O

O

Entschützung mit TFA

O

O

1

2 tBuO

tBuO O OtBu O

tBuO

O

O

tBuO

NH

O

O

O

O HO

OH

HO

O O

OtBu

tBuO

OtBu O OtBu O OtBu

NH O

O

OH

HO

O O

HN

NH O

OtBu

O

O O

HN

OH

H N

O

O

H N

OtBu

O

O HN

O

HO

OtBu tBuO O O

HN

tBuO

O

O

tBuO

O

OtBu O

O

NH 2 O

3

O

NH

O

O O

OH

O

O

OtBu

O O

4

O

NH

O O

O

OH

O

HCOOH

5

Bild 4-33 Synthese wasserlöslicher Mono-Malonester-Addukte 5 des Fullerens (nach Hirsch et al.)

Hyperverzweigte Polymere des Polybenzen-Typs können durch Einführung von CarboxylGruppen ähnlich wasserlöslich gemacht werden wie die oben aufgeführten monodispersen Vertreter.[62] In einer Suzuki-analogen Aryl-Aryl-Kupplung wurde ausgehend von 3,5Dibrom-phenylboronsäure 1 als AB2-Monomerbaustein (Bild 4-34) in Gegenwart von Pd(0) das Polykondensat 2 aufgebaut und anschließend mit Kohlendioxid zu der hyperverzweigten Verbindung 3 mit terminalen Carboxylat-Gruppen umgesetzt: Br

Br OOC

COO

n n Br

B(OH) 2

n

1) BuLi 2) CO 2

Pd(PPh 3 )4 Br

Br

COO n

Br

Polykondensation

COO Br

1

COO Br

Br Br

OOC

COO COO

2

Bild 4-34 Hyperverzweigte „Polyphenylene“ mit terminalem Carboxylat

3

128

4. Dendrimer-Typen und -Synthesen

4.1.8.2 Polykationische Dendrimere Polykationische dendritische Moleküle lassen sich allgemein auf folgenden Wegen herstellen: x

Einführung positiv geladener Zentren im Verlauf der Synthese

x

Umwandlung neutraler Gruppen des Dendrimers in kationische

x

Einbau von Übergangsmetall-Ionen in das Dendrimer

Ein Beispiel für die Einführung positiv geladener Einheiten während der Synthese bieten wasserlösliche Phosphor-basierte Dendrimere. Sie wurden im Hinblick auf ihre Eignung als Transfektions-Agenzien für das in 3T3-Zellen enthaltene Luciferase-Gen erprobt.[63] Dieses aus Glühwürmchen stammende Gen veranlasst Bakterien, das Enzym Luciferase zu bilden.[64] Diese Oxidoreduktase oxidiert Luciferin mit hoher Quantenausbeute zu Oxiluciferin,wobei starke (Bio-)Lumineszenz auftritt. Wird diese Methodik auf medizinische Anwendungen übertragen, ist es denkbar, dass mithilfe derartiger Gene bestimmte Bakterien schon in geringer Konzentration – anhand der von ihnen verursachten Fluoreszenz – sichtbar gemacht und damit geortet werden können.

P N

N

P

P N

=

O

S C N N P O H H CH3

S C N N P O H CH 3

S C N N P O H CH 3

S H C N N P N H H CH3

NH Cl

Bild 4-35 Polykationische Phosphor-basierte Dendrimere (nach Majoral, Caminade et al.)

2

2 2 2

4.1 Achirale Dendrimere

129

Das Potenzial, Nukleinsäure in Zellen einzuschleusen, ist von der Größe des Dendrimers abhängig. So sind Phosphor-basierte Dendrimere der dritten, vierten und fünften Generation effizienter als diejenigen niedrigerer Generationen (Bild 4-35). Auch die Art der quartären Ammonium-Endgruppen hat Einfluss auf das Transfektions-Vermögen: Das an den terminalen Stickstoffatomen methylierte ist weniger wirksam als das protonierte Dendrimer. Stoddart et al. entwickelten einen konvergenten Zugang zu polykationischen Dendrimeren auf Basis von Mesitylen-Einheiten.[65] Um die Kerneinheit 1,3,5-Tris(diethylaminomethyl)benzen (3) herum werden die durch Menschutkin-Reaktion erhaltenen, positiv geladenen Dendrons als Verzweigungseinheiten angeknüpft (Bild 4-36). Der (Anionen-)Austausch der Bromid- durch Hexafluorophosphat-Ionen dient der besseren Löslichkeit. Die chemoselektive Polyalkylierung Phosphor-basierter Dendrimere bietet eine Möglichkeit, um kationische Dendrimere aus neutralen zu erzeugen.[66]

Bildung der Kerneinheit:

Br

HO

N Et2NH

3Ph3P/3CBr4 HO

Br

OH

Br

1

N

N

2

3

Bildung des "Monomers":

N

Br

HO

Et2NH

2Ph3P/2CBr4 HO

OH

Br

OH

N

OH

130

4. Dendrimer-Typen und -Synthesen

Bildung des Dendrons/ Anionen-Austausch:

N

Br

NH4PF 6/H2 O

Et2NH

N

OH

Br

OH + 2 Br

N N HBr/HOAc N

OH N + 2 PF 6

Br

+ 2 PF 6

Bildung des Dendrimers: N N N

N

N

NH4PF 6/H2 O

+ N

Br

N

N

N

N

N + 2 PF 6

N

3 N

N

Bild 4-36 Konvergente Synthese polykationischer Dendrimere (nach Stoddart et al.)

Van Koten et al. gelang die Darstellung von Silicium-basierten Dendrimeren mit polykationischer Verzweigungsschale. Der in Bild 4-37 gezeigte Dendrimer-Typ besteht aus einem unpolaren Kern (Tetraarylsilan), ummantelt von einer ionischen Schicht, die ihrerseits von einer weniger polaren Polyether-„Schale“ umgeben ist.[67] Solche Dendrimere sind zur potenziellen Einlagerung von anionischen Gästen – unter Austausch der Anionen – in das positiv geladene Wirtgerüst prädestiniert.

4.1 Achirale Dendrimere

131 NMe 3 1) BuLi 2) SiCl4

NMe 2

NMe 3

Me 3 N

NMe 3 Überschuss RX

Br

Si NMe 2

RX = CH 3I, C 2 H 5 I, C 8H 17 I

Me 3 N

NMe 3 NMe 3

X

NMe 3

X NRMe 2

NRMe 2 X

X

Me 2RN

NRMe2

O

+

O

Si X NRMe 2

X Me 2RN NRMe 2 X

Br

NRMe 2 X

O O

O O

O

Br

Br

NMe 2

Br

Br

O

O

NMe 2

N Me 2

Me 2N

O

Si

Br

Br NMe 2

Me 2 N O

O

Br NMe2

NMe 2 Br

O

O O

O

O

O

Bild 4-37 Dendrimer mit polykationischer Kernschale (grau gekennzeichnet; nach van Koten et al.)

132

4. Dendrimer-Typen und -Synthesen

4.1.9 Silizium-basierte Dendrimere Silizium-basierte dendritische Moleküle („Silico-Dendrimere“) waren in Form der Siloxane 1989 die ersten Dendrimere, die andere als die üblichen Heteroatome (wie N, O, S, Halogene) enthielten.[68] Wie die Phospho-Dendrimere (Kapitel 4.1.10) lassen sie aufgrund ihrer modellierfähigen Architektur und wegen ihrer hohen Thermostabilität Anwendungsmöglichkeiten erhoffen, beispielsweise in Form von Carbosilanen als flüssigkristalline Materialien und Katalysator-Träger. Sie können in einige Grundtypen unterteilt werden und seien im Folgenden jeweils durch charakteristische Vertreter vorgestellt: x

Polysilane mit (Si–Si)-Gerüst

x

Carbosilane mit (Si–Cn)-Einheiten

x

Carbosiloxane mit (Si–O–C)-Einheiten

x

Siloxane mit (Si–O–Si)-Gerüst

4.1.9.1 Silan-Dendrimere Den Zugang zu Silan-Dendrimeren niedriger Generationen (G1, G2) eröffneten im Jahr 1995 unabhängig voneinander Lambert et al.[69] und Suzuki et al..[70] Letztere stellten ein PolysilanDendrimer 3 erster Generation dar, indem sie eine Stufenwachstums-Polymerisationstechnik anwandten. Die Kupplung von Methyl[tris(chlordimethyl-silyl)]silan (1) an Tris-(trimethylsilyl)silyllithium (2) führte zum verzweigten Dendrimer 3 erster Generation (Bild 438). Me Me Cl

Si

Me

Me Cl

+

3

Cl

Si

Cl

Li

Me

Me

Si H Me

H

Me H

Si Me

CCl4

Me Si Si Me Me H

Cl Si

Cl Me

Si Me

Me Si Si Me Me Cl

1 Me

Me Si

Me

Me Me Me

+ 3 Me Si Si Si Me Me

Li

2

Me

Me

Me Si

Me Me Si Si Me Si Me Me Me Me Me Me Me Si Me Me Me Me Me Si Si Me Si Si Si Si Me Si Me Si Me Me Me Si Si Me Me Si Me Me Me Me Me Me Me Me

3

Bild 4-38 Darstellung eines Polysilan-Dendrimers erster Generation (nach Suzuki et al.)

4.1 Achirale Dendrimere

133

Lambert et al. gelang es, dendritische Polysilane zweiter Generation zu entwickeln:[71] Die repetitiven Schritte dieser divergenten Synthese bestehen in der Spaltung von Silicium– Methyl-Bindungen mittels Trifluorsulfonsäure (CF3SO3H) und der anschließenden Neuknüpfung von Silizium–Silizium-Bindungen (Bild 4-39). Im Vergleich zu obigen kompakten Dendrimeren ließen sich so, ausgehend von Tetrasilanen, „Seestern-artige“ dendritische Moleküle bis zur zweiten Generation mit einer Molekülmasse von 1832,9 g/mol herstellen.[72] Me Me Me Me Me Si Si Si Me Me Li

Me Me

Si

Cl

Ph

Me Me Me Si Me Me Si Si Me Si Me Me Me Me Me Si Me

Si

Me Si

Si Me Si

CF3SO3H

Si Si

Me Me

Me Si Me Me Me

CF3SO 3H

Me Me Me Me Me Si Si Si Me Me Li

2. Generation

Me Si

Me Me

Me Me Me Me Si Si Si Me Me Si Me Me Me

Me Me Me Me Me Si Si Si Me Me Li

Me

Me Me

Me

Me Me

Bild 4-39 Syntheseweg zu einem Silan-Dendrimer zweiter Generation (nach Sekiguchi et al.)

Dieser Silan-Dendrimer-Typ weist schon in der zweiten Generation infolge sterischer Überhäufung aufgrund der starken Verzweigung Verzerrungen der inneren Silizium-Gerüststruktur auf.[68] Der Vorteil der eher kugelförmigen dendritischen Silane – gegenüber niedermolekularen Vertretern mit weniger stabilen Si–Si-Bindungen – besteht in der Ummantelung dieser leicht zu spaltenden Bindungen im Inneren des Dendrimers. Ist die Außenschale mit Methylgruppen terminiert, so können spaltende Reagenzien (Elektrophile oder Nukleophile) kaum an diese Bindungen gelangen – oder saure Katalysatoren eine Isomerisierung des Gerüsts bewirken: Mit einer solchen dendritischen „Schutzhülle“ als Ummantelung ist auch in anderen Fällen eine Stabilisierung metastabiler Kerneinheiten erzielt worden (siehe z. B. Kapitel 4.1.10 und 5.1.2.3). Silan-Dendrimere mit längeren Polysilan-Ketten (z. B. mit dreizehn Siliziumatomen in der längsten Kette) stellten Lambert und Wu über eine konvergente Syntheseroute her.[73] Auch sie nehmen eine nahezu sphärische Molekülgestalt an. Ein neueres Synthesekonzept basiert auf der Umsetzung von Diethylamino-substituierten Silyl–Lithium-Verbindungen mit Triflat-Derivaten von Silanen oder Oligosilanen. Es führt stufenweise zur Verlängerung von Si–Si-Ketten, die zum Aufbau polymerer Strukturen genutzt werden kann.[74]

134

4. Dendrimer-Typen und -Synthesen

4.1.9.2 Carbosilan-Dendrimere Die Struktur-flexiblen Carbosilan-Dendrimere[75] zeichnen sich durch hohe kinetische und thermodynamische Stabilität aus, die sich aus der niedrigen Dissoziationsenergie der Silizium–Kohlenstoff-Bindung ableitet. Wie bereits erwähnt, bieten gerade die Carbosilane ein breites Anwendungspotential, da ihr Aufbau unschwer modifiziert werden kann. So hängt die Länge der Verzweigungen von der Länge der Alkylkette des Grignard-Reagenzes ab, die Multiplizität der Verzweigungen hingegen vom Hydrosilylierungs-Reagenz (Tabelle 4.3). Über Carbosilan-Dendrimere wurde ab 1990 von den Arbeitsgruppen van der Made, van Leeuwen,[76] Roovers,[77] Muzafarov[78] und Seyferth[79] berichtet. Die Synthese erfolgt üblicherweise in zwei Schritten: 1. Hydrosilylierung einer vinylisch oder allylisch funktionalisierten Silizium-Verbindung mit einem Silan 2. Ȧ-Alkenylierung von Chlorsilanen mit einem Grignard-Reagenz

Tabelle 4.3 Variationsmöglichkeiten beim Aufbau von Carbosilanen

Kerneinheiten

O O

O H

O

O

Si

Si

Si

Si

O

Hydrosilylierungs-Reagenz

SiHCl3

SiHMeCl2

SiHMe2Cl

Alkylierungs-Reagenz

MgBr

MgBr

Die Platin-katalysierte Hydrosilylierung endständiger tetra-allylierter Silizium-Kerneinheiten und deren anschließende Umsetzung mit Grignard-Reagenz zeigten (Bild 4-40), dass der erreichbare dendritische Generationsgrad von der Länge der Alkenylgruppe – die als Abstandshalter (Spacer) ein zu großes räumliches Gedränge der Zweige verhindert – abhängig ist. So konnte ein Dendrimer über Decenyl-Einheiten bis zur sechsten Generation aufgebaut werden, während mit Vinyl- lediglich die vierte, mit Allyl-Einheiten die fünfte Generation erreicht wurde.[76b]

4.1 Achirale Dendrimere

135

Si

SiCl3 Si

Cl3 Si

HSiCl3

MgBr Si

Si

Si

[Pt-Katalyse] Si

SiCl3 Si

SiCl3

Bild 4-40 Carbosilan-Dendrimere (nach van der Made et al.)

Mit der konvergenten Synthesestrategie[80] ist der Zugang zu silyl-ethinylierten Dendrimeren der ersten und zweiten Generation mit alternierenden Silizium-Ethin-Einheiten möglich. Das in Bild 4-41 gezeigte Dendrimer (erster Generation) kann wegen der linearen Dreifachbindungen eine annähernd planare Konformation einnehmen.

Me H

Cl Cl

+

Me Me Si Me

Si

Me Me

Me

BrMg

Si

Me

Si

Me Me

Me

Me

Si

[PdCl2]

Me

H

MgBr Me

Me Si Me Me

Me

Me Si Me Me Si

Cl

Me Me

Me Si Me Me

Me

Si

Me

Me

Si

Si MgBr Me

Me

Me Si

Me

Me

Si

Si

Me

Me

Me

Si Me Si

Me

Me

1. Generation Si Me

Me

Me

Me

Si Me

Me

Bild 4-41 Carbosilan-Dendrimere (nach Sekiguchi et al.)

Beide Generationen zeigen hohe Thermostabilität (bis 200°C), jedoch kann die SiliziumKohlenstoff-Bindung leicht durch alkalische oder saure Bedingungen gespalten werden. Die Einführung von Phenylgruppen an unterschiedlichen Positionen im Carbosilan-Dendrimer – im Kern, an den Verzweigungspunkten oder an der Peripherie – und deren saure Abspaltung mit stöchiometrischen Mengen an Trifluorsulfonsäure erlaubt an diesen Stellen eine nukleophile Substitution. Dadurch können nach Gade et al. funktionelle Gruppen oder katalytisch wirksame Einheiten gezielt an diesen Positionen implementiert werden.[81]

136

4. Dendrimer-Typen und -Synthesen

Durch Hydrosilylierung des geschützten Allyl-Glycosids 1 mit dem Carbosilan 2 (mittels Silopren™, einem Platin-Siloxan-Komplex der Bayer AG, wurde unter Knüpfung von Si–CBindungen ein glycosidisches Carbosilan-Dendrimer erhalten (Bild 4-42).[82] O O

O O O

O

H

+

Me

H

O O

O

Si

21% Ausbeute

O

OH OH

HCl/MeOH

Si

O

O O

O

O OH OH

OH O

HO HO HO

O O

OH OH

O O

O

Si

OH O

HO HO HO

O O

O

O

O O

•

2

O

O O O

Si Me

1

O O O

Silopren

H

H Si

Si

Si

Si

Si

OH OH

O O

O

Bild 4-42 Glycosidisches Carbosilan-Dendrimer (nach Lindhorst et al.)

In jüngsten Arbeiten auf diesem Gebiet[83] wurden auch hantelförmige CarbosilanDendrimere synthetisiert (Bild 4-43).[84] R

R

R

Si

R

CH 3

CH 3

CH 3

Si

Si

Si

CH 3

CH 3

CH 3

Si

R

R

H3C

R

Si

CH 3

CH 3

CH 3

Si

Si

Si

CH 3

CH 3

CH 3

Si

R

R

CH 3

R

OH OH O HO OH

O

R =

OH O O

HO OH

S

*

Bild 4-43 Dendritische Carbosilan-Hanteln mit Galabiose-Zweigen (nach Terunuma et al.)

Diese in der Peripherie bis zu sechs Galabiose-Einheiten (GalĮ1-4Gal) tragenden dendritischen Hanteln könnten Anwendung als künstliche Inhibitoren des Shiga-Toxins (Vero-Toxin)

4.1 Achirale Dendrimere

137

finden. Dieses von Escherichia coli-Bakterien produzierte Toxin ruft Diarrhoe und Hämolytisches Urämie-Syndrom hervor. Ungewöhnlichere Carbosilan-Dendrimere wurden durch Reaktion von Acetyl-geschützen Hydroxyethyl-Glycosiden mit Chlorsilanen synthetisiert. Die Einführung der KohlenhydratKomponente erfolgte durch Alkoholyse des Chlorsilans unter Ausbildung von Silizium– Sauerstoff-Bindungen, wobei eine Carbosilan-Kerneinheit mit Carbosiloxan-Seitenarmen entsteht.[82] Der umkehrte Aufbau von Carbosilanen mit Kohlenhydrat-Kern ist ebenso möglich.[54] Ein Carbosilan-Dendrimer erster Generation bestehend aus 16 Thiophen-Ringen konnte in 19% Ausbeute isoliert werden, wobei diverse Nebenprodukte in ähnlichen Mengen entstanden.[85] Der Synthesebaustein Methyl-tris(2-thienyl)silylether wurde zuvor aus Tetramethoxysilan und überschüssigem Thienyllithium hergestellt (Bild 4-44). 1) 4 BuLi

S S

S S

2) 4 Me O Si

S

Si

Si

S

S

S Si

Si S

S

S

S

S S

S

Et20

S S

Si

S S

S

S

Si

S

S

Bild 4-44 Carbosilan-Dendrimer aus Thiophen-Bausteinen (nach Nakayama et al.)

Achtfach Kronenether-funktionalisierte Carbosilan-Dendrimere (Bild 4-45) können in ihren peripheren Kronenether-Einheiten insgesamt acht Kalium-Ionen aufnehmen.[86]

138

4. Dendrimer-Typen und -Synthesen O

O

O

O

O

O

O

O

O O

O

O O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

SiMe 2

Me2Si

O

O O

Si

SiMe2

O

O

Me 2Si

Si

Si

Si

SiMe2 O O

O

O

O Me2Si

O

Me 2Si

Si

O SiMe2

O

O

O

O

O

O

O O

O

O O

O

O

O

O

O

O

O

O O O

Bild 4-45 Kronenether-dekoriertes Carbosilan (nach Lang et al.)

Terminale Palladium-komplexierte, Phosphan-funktionalisierte Carbosilan-Dendrimere wurden als potentielle Katalysatoren in Membranreaktoren eingesetzt.[87]

4.1.9.3 Carbosiloxan-Dendrimere Prägende Struktureinheit der Carbosilane ist die Si–O–C-Sequenz. Das Gerüst dieser Dendrimer-Familie ist analog zu den Carbosilanen durch Wahl bestimmter Kerneinheiten[88] (Tabelle 4.4) gezielt aufbaubar. Die Synthese der Carbosiloxane erfolgt allgemein durch x x

Hydrosilylierung vinylisch oder allylisch funktionalisierter CarbosiloxanKerneinheiten, anschließende Alkoholyse.

4.1 Achirale Dendrimere

139

Tabelle 4.4 Repräsentative Kerneinheiten für Carbosiloxane

Kerneinheiten für den Aufbau von Carbosiloxanen

O Si

Si O Si O O Si

O

O

O

O O

O

O

O Si O O

Si

Si O

O

O

Si

Si

O

O

O O Me2 Si

O

HSiMeCl2 [Pt-Katalyse]

O Me 2Si

SiMeCl2

O

HO

Si

O Me2 Si

SiMeCl2

O

O O

Si

O

O

O O

Si

O

Si O O

O

Si

O

O

Si

O

Si

O O

O

Si

O Si

Si

O

O

O

O

Si

O

O O

Si

O

Si O

Si

O

Si

O

O Si

O

O

O

Me 2 Si

O

Si O

O

O

Si O

Si

O

O

Si

O Si

O

O

O

Si O

O

Si

O

Si

O

O Si O

O

O

Si O Si

Si O

Si

Si O O

O

O

Si

O

Si O

O

O

O

O

O

Bild 4-46 Synthese eines „Blumenkohl-Dendrimers“ (nach Lang et al.)

O

140

4. Dendrimer-Typen und -Synthesen

Um den Aufbau der Carbosiloxan-Dendrimere zu illustrieren, sei hier zunächst die kleinste Kerneinheit gewählt. Ein „Blumenkohl-Dendrimer“ (cauliflower dendrimer) der vierten Generation (Bild 4-46) wurde über eine repetitive Synthesesequenz mittels Dichlormethylsilan als Hydrosilylierungs- und Allylalkohl als Alkoholyse-Reagenz erhalten.[89] Eine cyclische Kerneinheit kann ebenso das Fundament von Carbosiloxan-Dendrimeren bilden (Tabelle 4.4 und Bild 4-47). Das Gerüst zeigt dann im Kernbereich eine – anders als durch lineare Abstandshalter – aufgelockerte („cyclisch gespacerte“) Anordnung. Cl2Si

O Si

Si O Si O O Si

HSiMeCl2 [Pt-Katalyse]

O Si

Si Cl2

Si

Si O Si O O Si

SiCl2

MgBr Si

SiCl2

O Si

Si O Si O Si

Si

O

Si

1. Generation

Cl2Si SiCl2 Si

HSiMeCl2 [Pt-Katalyse] Si Cl2

Cl2Si

Si

O Si

SiCl2

Si O Si O Si

Si

Cl2 Si

O

4. Generation

Si

SiCl2 Cl2Si 2. Generation

Bild 4-47 Carbosilane mit cyclischer Kerneinheit (nach Kim et al.)

Kim et al. gelang auf dem divergent-repetitiven Syntheseweg (siehe oben, CarbosilanDendrimere) der Zugang zu gemischten Carbosilan/Carbosiloxan-Dendrimeren (Bild 4-47) bis zur vierten Generation mit endständigen Chlorid-Funktionen.[90] Deren Überführung in die entsprechenden terminalen funktionellen Gruppen gelang zum Beispiel durch Umsetzung mit p-Phenylphenol, p-Bromphenol, Lithiumphenylacetylid oder Allylmagnesiumbromid. Von der gleichen Kerneinheit ausgehend konnten die nach Reaktion mit HydrosilylierungsReagenz entstandenen endständigen Si-Cl-Gruppen mit einem Hydroxyterpyridin zu Dendrimeren bis zur dritten Generation umgesetzt werden. Nach Komplexierung mit PtCl2 und anschließender Koordination von 2,2’:6’,2’’-Terpyridin wurden terminale SH-Gruppen eingeführt, die beim Aufbringen der Dendrimere auf (Au 111-)Gold-Oberflächen als Ankergruppen dienten.[91] Carbosiloxan-Dendrimere mit SiH-Endgruppen (Bild 4-48)[92] sind allgemein durch Hydrosilylierung von MeCOCH2CH2CH=CH2 mit Chlorsilanen zu Si-Cl terminierten Verbindungen

4.1 Achirale Dendrimere

141

und anschließende Reduktion mit Lithiumaluminiumhydrid zum entsprechenden Alkohol mit endständigen SiH-Gruppen erhältlich. H Si

Si H

H Si

O Si H Si

O Si O

O

O O Si O

O

Si

Si H

O O Si O O Si H

H Si Si H

Bild 4-48 Carbosiloxan-Dendrimer mit terminalen Si-H-Gruppen (nach Lang et al.)

Die Funktionalisierung der Carbosiloxan-Dendrimere ist ebenso vielfältig wie die oben beschriebene Möglichkeit, unterschiedliche Kerneinheiten einzusetzen. So wurden diverse Metallo-Carbosiloxan-Dendrimere beispielsweise mit Titanocendichlorid-Endgruppen,[93] Ferrocen-[94] oder Dicobalthexacarbonyl-Einheiten aufgebaut.[95]

4.1.9.4 Siloxan-Dendrimere Der älteste aller – außer den üblichen wie N, O, S, Halogen – Heteroatome enthaltenen Dendrimer-Typen wurde im Jahr 1989 erstmals in Form der Siloxan-Dendrimere[96] bis zur vierten Generation aufgebaut.[97] Dieser Dendrimer-Typ bildet eine Art Brücke zwischen der anorganischen und organischen Chemie. Ausgehend von Methyltrichlorsilan als trifunktionaler Kerneinheit wurden in einem ersten (repetitiven) Schritt die drei Chloratome nukleophil durch Bis(ethoxy)methylsilan-Reste substituiert (Bild 4-49). In der anschließenden, ebenfalls wiederholbaren Sequenz wurden die entstandenen Ethoxy-Einheiten mit Thionylchlorid (SOCl2) zu terminalen Chlorid-Einheiten umfunktionalisiert. Das so letztlich erhaltene Dendrimer der vierten Generation enthält 48 endständige Chlor-Substituenten.

142

4. Dendrimer-Typen und -Synthesen OEt

OEt

Si EtO

Me Cl

Cl Si

O

3 Me(OEt)2SiONa

O

SOCl2

Me

O

EtO

OEt

Cl

Me

Cl

Me Si

Cl Cl Iteration

Si

Cl

Me

Me O

Si

Cl

O

Si

O Si

Me Cl

Si

O

Cl

Me

Me O

Me

O

Me Si Cl

Me Cl

Si

O

O

Si Me

Cl Cl

Si

O Si

Cl Cl Cl

O Me

Cl Cl

O

O

Cl Cl

Me

Si Me Si

Cl Cl

Cl

Me Si

Me Si

Cl

Me Si

Me

Si Me

O

O

Si

O

Me

Me

Si Me

Me O

Cl

Cl

Si

Si Si

O

O

O

O

Me

Si

O Si

Me

Si

O

Me

Me

Si

Me

Si

Cl Me Cl O Si Cl

O

O

O Si

Me

Me

Cl

O

Si

Me O

Me Me

O

O

Cl

O

Si

Si

O

Si

O

Si

Si Me

Cl

Me

O

O

Me

O

Me

Si

O

O

Si Me

O

Cl Cl

Si

Me

O

Si

Cl Cl

Si

O

Si

O

Cl

Si Me Me

O

Cl

Cl

Me

O

Si

O

Cl

Me

Si Me

Si Me

Si

Cl

Cl Cl

Si

Cl

Cl

Cl

Me

Si

Me

Si

Cl Cl

Cl

O

Me

O Cl

Si

Me

Cl

Me

Si

Cl

Si

OEt

O

Me

Cl

Si

Me

Cl Cl

Cl

Bild 4-49 Synthese eines Siloxan-Dendrimers vierter Generation (nach Muzfarov et al.)

Masamune et al. bauten ein Polysiloxan-Dendrimer mit Oligosilan-Kerneinheit auf.[98] Durch eine repetitive Synthesestrategie, bestehend aus katalytischer Oxidation der endständigen SiH- zu SiOH-Gruppen und Substitution der Hydroxyl-Gruppen durch einen Abstandshalter (Spacer), wurde der Zugang zu Polysiloxan-Dendrimeren bis zur dritten Generation eröffnet. Das Bromsilan, das durch Reaktion des Phenylsiloxans 1 mit Brom in Gegenwart von Triethylamin oder Natriumsiloxid erhalten wird, führte Kakimoto et al. zum SiloxanKernbaustein 4. Er enthält drei Phenylsilan-terminierte Disiloxan-Verzweigungen, die eine sterische Hinderung beim Aufbau der Folgegenerationen minimieren sollen. Eine Abfolge von Bromierung, Aminierung und Alkoholyse lässt abschließend das Polysiloxan 5 der dritten Generation entstehen (Bild 4-50).[99]

4.1 Achirale Dendrimere

143

Me

Br Si O Me Me Si O Me Si Me O Br Si Me Br Me

Me

MeSiCl3

Si O Me Me Si O Me Si Me O Si Me Me

Me Si Me O Li

+

Br2

1

Me Si Me Me Si Me OH

O

Me

Si O Me Me Si O Me Si Me O Si Me O Me Si Me O Me Me Si Me

Me

NEt 2 Si O Me Me Si O Me Si Me O NEt2 Si Me Et2N Me

NEt2

2

3

Me Me O Si Me Si Me Si O O Me Si Me Me O Me Si Me O Me Me Si Me O Si O

Me Si

Me

O Me Si

Me

O

Me

Si Me O Me Me Si Me Si O O Me Si Me O Me Si Me

4

O

Me Si

Me

O

Me Si

Me

Me O O Si Me Si Me Si O Me Me

5

Bild 4-50 Polysiloxan-Dendrimer (nach Kakimoto et al.)

4.1.9.5 Hyperverzweigte Silizium-basierte Polymere Diese hochverzweigten (engl.: hyperbranched) dendritischen Verbindungen (s. Kapitel 2.7) sind zwar nicht so Struktur-perfekt (s. Kapitel 1.3 und 1.4) wie ihre dendritischen Verwandten, jedoch schneller und preiswerter herstellbar, was sie insbesonders für den Werkstoffbereich interessant macht. Die unterschiedlichen kommerziellen Monomere (Bild 4-51) bieten viele strukturelle Variationsmöglichkeiten. H

Si H

O

Si O O Si

Si

H

Si O SiH 3

H

Bild 4-51 Typische Monomere für hyperverzweigte Siloxane

Si O

Si H

O Si O Si O

H

Si

Si O O Si

H

144

4. Dendrimer-Typen und -Synthesen

Hyperverzweigte Carbosiloxane können wie die monodispersen Carbosiloxan-Dendrimere durch Hydrosilylierung hergestellt werden.[100] Die Ersten dieser Art wurden 1991 von Mathias und Carothers[101] durch Polymerisation eines Allyl-tris(dimethylsiloxy)silan-Monomers unter Zusatz von Wasserstoffhexachloroplatin(IV)hydrat synthetisiert (Bild 4-52). Die Reaktion geht relativ rasch vonstatten; vermehrte Katalysator-Zugabe bewirkt jedoch keine Vergrößerung der Molekülmassen (19000 g/mol). NMR-Spektren dieser hyperverzweigten Verbindungen zeigen nahezu keine Vinyl-Signale, was auf ein fast vollständig polymerisiertes Produkt hinweist. H

H

Si O O Si

Si H O Si

H 2 PtCl6

Si O SiH 3

°

O

nH 2 O

Si

CH 3CN/Et2 O

O Si O

Si

Si O O Si Si H

H

Si Si

Si Si O O O Si Si H

Si Si H O O Si O Si H

O

Si H O

Si

O Si

H

Si H

O

H H

Bild 4-52 Hyperverzweigtes Carbosiloxan (nach Mathias und Carothers). Einige Monomer-Bausteine sind zur Veranschaulichung grau markiert

Um die Reaktivität abzumildern, wurden in späteren Arbeiten die Si-H-Gruppen mit Allylphenyl-Ethern hydrosilyliert.[102] Der Zugang zu hyperverzweigten Polycarbosilanen (Bild 4-53) ist durch eine Grignard-Kupplung von Chlormethyltrichorsilan möglich.[103] Der initiierende Schritt der Polymerisation ist die – nahezu quantitative – Bildung der GrignardVerbindung Cl3SiCH2MgCl. Das Polymerisat enthält verschiedene Struktureinheiten (linear, einfach verzweigt, doppelt verzweigt). Anschließende Reduktion mit Lithiumaluminiumhydrid resultiert in einem hochverzweigten Polymer mit der durch Elementaranalyse, 1H-, 13C-, 29 Si-NMR, IR und GPC annähernd bestimmten Summenformel (SiH1.85CH2)n und einem PDI= Mw/Mn= 5200/750 = 6.9 (siehe Kapitel 1).

4.1 Achirale Dendrimere

145 SiH3

H2 Si

Si H

H3Si H3Si

SiH2 SiH

H3Si

SiH3 Si

H Si

H3Si

SiH2 SiH

SiH2

SiH3

Bild 4-53 Hyperverzweigtes Polycarbosilan (nach Interrante et al.)

4.1.10 Phosphor-basierte Dendrimere Die ersten neutralen Phosphor-haltigen Dendrimere („Phospho-Dendrimere“) wurden im Jahr 1994 von Majoral et al. beschrieben und in der Folgezeit stark ausgebaut. Der Phosphor war dabei an weiteren Heteroatomen wie N und O[104] sowie an Kohlenstoff[105] gebunden. Es sind aber auch Dendrimere bekannt, in denen Phosphoratome in der Kerneinheit oder an der Peripherie, aber auch sowohl im Kern als auch in den Verzweigungen und der Peripherie lokalisiert sind.[106] Ein Beispiel für fünfwertige Phosphoratome in der Kerneinheit und in den Verzweigungspunkten ist in Bild 4-54 gegeben. O H

Aufbauschritt

O

Cl S P Cl

O 3 Na

Cl S P

- 3 NaCl

H

H

O

O

O O

H O S

Cl P

H3C N

Cl

N

Aktivierungsschritt

Cl S P Cl N N CH3

H

H2N S P

N CH3 Cl Cl

H

O S P

O O

- 3 H2O H Cl

N

S P N Cl CH3

Bild 4-54 Phosphorhaltige Dendrimere (nach Majoral et al.)

4. Generation

146

4. Dendrimer-Typen und -Synthesen

In einem Aufbauschritt wird zunächst Trichlorthiophosphor mit dem Natriumsalz des 4Hydroxybenzaldehyds umgesetzt. Die anschließende Aktivierung durch Addition eines Hydrazin-Derivats ergibt ein Phospho-Dendrimer der ersten Generation (Bild 4-54). Iteration dieser Synthesesequenz führte schließlich bis zur vierten Generation (Molmasse 11269 Da). Die Peripherie wechselt dabei je nach Generation ihre Funktionalität (Formyl-Gruppen oder Dichlorthiophosphoryl-Einheiten). Die erhaltenen Dendrimere sind sehr stabil und in den gängigsten organischen Lösungsmitteln löslich. Vorteilhaft ist, dass sich die Phosphoratome der einzelnen Generationen anhand ihrer unterschiedlichen Verschiebungen und Intensität der Signale durch 31P-NMR-Spektroskopie unterscheiden und den einzelnen „Zwiebelschalen“ (Generationen) im Molekül exakt zuordnen lassen.[104] Damit ist eine einfache Überprüfung der Vollständigkeit (Perfektheit) der vorhergegangenen Umsetzungen (und der Reinheit der einzelnen Generationszwischenstufen) möglich – jedenfalls was die Art und Anzahl der eingebundenen Phosphor-Atome anlangt (Dass dabei eventuelle nicht-P-haltige Unreinheiten nicht „sichtbar“ sind, bietet einerseits einen Auswerte-Vorteil wegen der ungestörten Signale; andererseits liegt darin aber auch ein Nachteil, da die Reinheit des Dendrimers lediglich auf die Umgebung der Phosphoratome im Molekül bezogen werden kann). Neben der 31P-NMRSpektroskopie wurde auch die MALDI-TOF-Massenspektroskopie zur Charakterisierung von Phosphor-basierten Dendrimeren eingesetzt.[107] Durch Umsetzung der Dichlorthiophosphoryl-Einheiten mit Allylaminen wurden entsprechende Phospho-Dendrimere mit terminalen Allylfunktionen sowie durch Reaktion mit Propargylamin endständige Alkin-Gruppen dargestellt. Nicht zuletzt wurde so eine Tri- und Tetafunktionalität an der Molekülperipherie erzielt.[108] Phospho-Dendrimere sind als „Modifier“ von Materialoberflächen relevant für die Entwicklung von DNS-Chips.[109] Weiteres Anwendungspotential haben organische PhosphoDendrimere als neue Gelatoren, die in geringer Menge das Gelieren von organischen und organometallischen Substanzen in Wasser (Hydrogele) unter milden Bedingungen erlauben.[110] Die Wasserlöslichkeit macht solche Dendrimere auch für medizinische Anwendungen attraktiv, da Phosphor-haltige Dendrimere eine geringe Toxizität aufweisen. Majoral et al. gelang die Synthese eines Zweiphotonen-Markers zur in vivo-Lokalisierung (ähnlich der in Kapitel 8 erwähnten Kontrastmittel). Um Aggregationen zu vermeiden, wurde eine Zweiphotonenaktive lipophile Chromophor-Einheit vom Stilbentyp in den Kern eines hantelförmigen Dendrimers eingebaut, dessen Peripherie mit kationischen Gruppen dekoriert ist (Bild 4-55). Die kationische Hülle bildet – abgesehen von der Vermittlung der Wasserlöslichkeit – eine Art Schutzmantel vor äußeren Einflüssen für den zentralen Chromophor.[111] Weitere ionisch aufgebaute Phosphor-basierte Dendrimere sind im Abschnitt 4.1.8.2 zu finden.

4.1 Achirale Dendrimere

147

P

P

N

N

N O

P

N

O

P

P

N

P N

=

O

S C N N P O H CH 3

S C N N P O H CH 3

S H C N N P N H H CH 3

NH 2

2 2

Cl

Bild 4-55 Phospho-Dendrimere mit Stilben-Einheiten als Zweiphotonen-Marker (nach Majoral et al.)

Phospho-Dendrimere, deren Peripherie mit Ȝ3-Phosphor in Form von DiphenylphospinGruppen bestückt ist, können auch als Liganden in Palladium-, Platin- und RhodiumKomplexen fungieren.[112] Dabei müssen die Metalle jedoch nicht unbedingt an der Peripherie sitzen, sondern sie können auch als Kerneinheit dienen, wie bei Phospho-Dendrimeren mit Ferrocen-Einheit als Kern. An solche Dendrimere wurden – bis zur fünften Generation – Elektronen-ziehende P=N-P=S-Einheiten angeknüpft, die sich auf die elektrochemischen Eigenschaften des Ferrocens stark auswirken.[113] Phosphor-basierte Dendrimere, die Ferrocen-Einheiten zugleich im Kern, in den Verzweigungseinheiten und in der Peripherie enthalten, sind gleichermaßen herstellbar.[114] Die polykationischen Phospho-Dendrimere seien hier der Vollständigkeit halber erwähnt; Näheres zu dieser Thematik findet sich im Abschnitt 4.1.5 (Ionische Dendrimere).[115]

4.1.11 Metallo- (und Newkome-) Dendrimere Metallo-Dendrimere sind aufgrund ihrer physikalischen, photophysikalischen oder katalytischen Eigenschaften ein weit verbreiteter Dendrimer-Typ. Durch Kombination der Dendrimer-Charakteristika mit denen von Übergangsmetallen lassen sich beispielsweise Lichtsammel- Effekte (s. Kapitel 5.2) und Energietransfer-Gradienten erzeugen. Der Aufbau der Metallo-Dendrimere kann supramolekular,[116] (s. Kapitel 2.6), durch Metall/Ligand-Komplexierung (Koordinations-chemisch) und nicht zuletzt kovalent erfolgen.

148

4. Dendrimer-Typen und -Synthesen

Metallo-Dendrimere lassen sich – wie in Kapitel 3 schon ausgeführt – in Abhängigkeit von der Position, in der die Metalle in das dendritische Molekül integriert wurden, wie folgt klassifizieren (Bild 4-56): A. Dendrimere mit Metall-Kerneinheit B. Dendrimere mit peripher komplexiertem Metall C. Dendrimere mit Metall in den dendritischen Zweigen D. Dendrimere mit Metallen in den Verzweigungspunkten. M

M

M

M M

M

M

M M M

M

M M

M

M

M M

M

B

M M

M

C

M M M

M

M

M

M

M

M

M

M

M

A

M

M

M M

M

M M

M

D

Bild 4-56 Klassifizierung der Metallo-Dendrimere

A. Dendrimere mit Metall-Kerneinheit Die Synthese dendritischer Strukturen mit einem Metallkomplex als Kerneinheit kann auf zwei verschiedenen Wegen erfolgen: Kovalente Knüpfung: Ein bereits gebildeter Metallkomplex wird kovalent mit Dendrons verknüpft und so mit einer dendritischen Hülle umgeben. Beispiele hierfür sind die redoxaktiven Metallo-Dendrimere von Kaifer et al.[117] oder die von Diederich et al.[118] und Aida et al.[119] dargestellten und hinsichtlich ihrer Eigenschaften untersuchten dendritischen Porphyrin/Metall-Komplexe. Supramolekulare oder koordinative[120] Komplexierung: Eine von Kawa und Fréchet realisierte Möglichkeit zur Darstellung von Dendrimeren mit zentraler Metallkomplex-Einheit besteht in der Komplexierung eines Metall-Kations mit geeignet funktionalisierten DendronLiganden. Durch Selbstorganisation von drei Fréchet-Typ-Dendrons mit je einer CarboxylatGruppe im fokalen Punkt um ein dreiwertiges Lanthanid-Ion [Erbium(III), Europium(III) oder Terbium(III)] als Kerneinheit herum (Kapitel 2, Bild 2-9) erhielten sie dendritische Komplexe mit bemerkenswerten photophysikalischen Eigenschaften.[121] So zeigen diese Metallo-Dendrimere infolge des Energietransfers von den Aryl-Benzylether-Gruppen zum Metallzentrum hin, sowie der Abschirmung der Metall-Ionen voneinander, im Vergleich zum isolierten (nicht dendritischen) Lanthanid-Komplex eine deutlich stärkere Lumineszenz (s. Kapitel 5). Ein Metallo-Dendrimer mit koordinativ an Phenanthrolin-Liganden gebundener Kupfer(I)Kerneinheit, dessen Dendrons mit terminalen Fulleren-Einheiten bestückt sind, synthetisierten Nierengarten et al. (Bild 4-57).[122]

4.1 Achirale Dendrimere

149

OR OR

RO

OR

RO

O

O

O

O O

O

O

O

O O

O O

O

O

OR

O O

O RO

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OR O O

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RO N

O

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BF4 O

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O

OR

O RO

O

O O

O

O O

O

O O

O

O

O

O O

O

O

O

OR OR

RO

OR

OR

= Cu

Bild 4-57 Metallo-Dendrimer mit Cu(I)-Phenanthrolin-Kern und terminalem Fulleren (nach Nierengarten et al.)

B. Dendrimere mit peripher komplexiertem Metall Metallocene wurden in der Dendrimer-Chemie – wie schon in den vorherigen Kapiteln gezeigt – häufig als terminale Einheiten eingesetzt. Sie interessieren überwiegend wegen potenzieller Anwendungen in der Katalyse.[123] Ein ungewöhnliches Metallo-Dendrimer mit peripheren Ferrocen-Einheiten und optisch aktiven Ferrocenyldiphosphin-Liganden (JosiphosLiganden) stellten Togni et al. her (Bild 4-58).[124] Als Kerneinheit wurde u. a. Adamantantetracarbonsäure gewählt. Mit der Integration chiraler Bauelemente – insbesondere von bereits bewährten Komplexliganden in – dafür designte – dendritische Moleküle (s. Abschnitt 4.2) erweitert sich die Palette der Anwendungen, da dann auch asymmetrisch katalysierte Reaktionen mit Dendrimeren durchgeführt werden können.

150

4. Dendrimer-Typen und -Synthesen

Cy2P Me PPh2

Fe Me2Si

PCy2 Me

Me Cy2P

PPh2

HN

Fe

Fe

O

O

N H

PPh2

Si Me2

Me2Si O

O

O

O

Cy2P

O

Me PPh2

O

O O

Fe

HN

Me2Si

Me2 Si

O

PCy2 Me

O

O

O

HN

H N

O Me2Si

Fe

Fe Si Me2 Ph2P

N H

NH

O

HN

PCy2

Fe PPh2

Ph2P

Me

Me PCy2

Me2Si Fe Ph2P

PCy2 Me

Bild 4-58 Metallo-Dendrimer mit optisch aktiven Ferrocen-Einheiten an der Peripherie (nach Togni et al.)

Dendrimere mit Diaminobutyl-Einheiten (DAB-Dendrimere) können – nach Reetz et al. – z. B. durch doppelte Phosphanierung mit endständigen Diphosphanyl-Gruppen versehen werden, die prädestiniert für die Komplexbildung sind.[125] Die als Liganden fungierenden zweizähnigen dendritischen N-(CH2PPh2)2-Gruppen eröffnen – nach van Koten et al. – den Weg zu peripheren Palladium-, Nickel-, Iridium- und Rhodium-Übergangsmetall-Komplexen mit Anwendungen in diversen katalytischen Reaktionen (z. B. Heck-Kupplung), aber auch als Sensor für Schwefeldioxid und andere Gase (s. Kapitel 8).[126]

C. Dendrimere mit Metall in den dendritischen Zweigen Dendrimere mit Metallkomplex-Einheiten in ihren Zweigen bedingen den Einbau spezifischer Koordinationsstellen im Dendrimer-Gerüst. Newkome et al. nutzten ein solches mit zwölf Alkin-Einheiten für den Punkt-genauen Einbau von 1,2-Dicarba-closo-dodecaboranGruppen (Bild 4-59, oben rechts).[127] Auch die gezielte Koordination mit Dicobaltoctacarbonyl zu einem Metallo-Dendrimer mit zwölf Dicobalt-hexacarbonyl-Einheiten gelang. Letztere können zum einen als Schutzgruppen,[128] zum anderen als Katalysatoren fungieren.[129]

4.1 Achirale Dendrimere

151 R R R

R R

R R

R

R

R

R R

R R R R

R R

B10H14 R R

R R R

R R R

R

R

R

R

R R

R R

R R

R R

R R

R

R

R R

R

R R

R R R

R R R

R R R R

R

R R

R R

R R R R R

R

R

R R R R

R R

Co2(CO)8

R R R

L3 Co L3Co

L3Co

R R

R R L3Co L3Co

L3Co

Co L3

R R

R R

L3 Co L3 Co

CoL3

L3Co CoL3

R

R R R

R R R

R = CH2OCH2Ph L = CO

R

L3Co CoL3 L3Co

Co L3 CoL3 Co L3

R R

CoL3

CoL3 Co L3

CoL3

R

R R R R

R R

R R

L3 Co CoL3

R R R

Bild 4-59 Dendrimere mit gezielt – im Inneren – angebrachten Koordinationsstellen (nach Newkome et al.)

D. Dendrimere mit Metallen in den Verzweigungspunkten Ein Dendrimer mit Metallkomplexen sowohl in der Kerneinheit als auch in den Verzweigungen beschrieben Balzani et al.. Der lumineszierende, heteroleptische (unterschiedliche Liganden aufweisende), dendritische Polypyridin-Ruthenium- oder -Osmium-Komplex ist sowohl divergent als auch konvergent herstellbar[130] (vgl. Kapitel 2.5.2). Newkome et al. bauten Metallo-Dendrimere Koordinations-chemisch durch Ligand /Ruthenium/Ligand-Kupplung auf. Das Synthesekonzept bietet die Möglichkeit, vorkonstruierte Dendrons (Bild 4-60) zu einem dendritischen Netzwerk zu verknüpfen. Die entsprechenden Dendrons werden durch die beiden Terpyridin-Liganden um das Ruthenium

152

4. Dendrimer-Typen und -Synthesen

herum angeordnet, was dem Dendrimer – aufgrund der dendritischen Schutzhülle – auch höhere Stabilität verleiht.[131] R

OR

R

O O

t

HN

Bu Bu

R

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OBu

t Bu t Bu

O t Bu

O R

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O HN OO

R R

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NH

R R

HN

O

OR

NH

O O RO

O O R R

R O R R

R = t-Butyl R = NHC[CH 2CH 2CO 2 C(CH 3 )3 ]3

Bild 4-60 Dendritisches Netzwerk (nach Newkome et al.)

Ähnliche dendritische Architekturen wurden durch Fixierung von Polyether-Dendrons an eine Terpyridin[132] -Kerneinheit mittels Eisen(II)-Ionen gebildet.[133] Dendrimere und Dendrons des Newkome-Typs mit 1ĺ3- und 1ĺ4-Verzweigungsmuster sind seit kurzem im Handel unter dem Namen „NTreon“ erhältlich.[134] Das vorliegende Kapitel musste sich auf die wichtigsten Dendrimer-Typen und deren Synthesen beschränken. In der jeweils zitierten Literatur findet man viele weitere Beispiele.

Literaturverzeichnis und Anmerkungen zu Kapitel 4.1

153

Literaturverzeichnis und Anmerkungen zu Kapitel 4.1 „Achirale Dendrimere“ Übersichtsartikel sind durch ein vorgestelltes fett gedrucktes „Übersicht(en)“ bzw. Buch/Bücher gekennzeichnet. [1] Astramol“Firma DSM, Eindhoven, Niederlande. [2] J. C. Hummelen, J. L. J. van Dongen, E. W. Meijer, Chem. Eur. J. 1997, 3, 1489-1493. [3] Daten auf folgenden Internet-Seiten: „www.dsm.com und www.dendritech.com“ [4] E. Buhleier, W. Wehner, F. Vögtle, Synthesis 1978, 155-158. [5] R. Moors, F. Vögtle, Chem. Ber. 1993, 126, 2133-2135. [6] M. de Brabander-van den Berg, E. W. Meijer, Angew. Chem. 1993, 105, 1370-1372; Angew. Chem. Int. Ed. 1993, 32, 1308-1310; C. Wörner, R. Mülhaupt, Angew. Chem. 1993, 105, 1367-1370; Angew. Chem. Int. Ed. 1993, 32, 1306-1308. [7] F. Vögtle, S. Gestermann, C. Kauffmann, P. Ceroni, V. Vicinelli, B. Balzani, J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 10398-10404. [8] B. González, C. M. Casado, B. Alonso, I. Cuadrado, M. Moran, Y. Wang. A. E. Kaifer, Chem. Commun. 1998, 2569-2570. [9] a) B. González, B. Alonso, J. Losada, M. P. García-Armada, C. M. Casado, Organometallics 2006, 25, 35583561; b) V. Vicinelli, P. Ceroni, M. Maestri, M. Lazzari, V. Balzani, S.-K. Lee, J. van Heyst, F. Vögtle, Org. Biomol. Chem. 2004, 2, 2207-2213. [10] Vertrieb durch Aldrich; Verkaufsrechte: Dendritech®, Michigan, USA. [11] D. A. Tomalia, A. M. Naylor, W. A. Goddard III, Angew. Chem. 1990, 102, 119-238; Angew. Chem. Int. Ed. 1990, 29, 138-175. [12] J. D. Eichmann, A. U. Bielinska, J. F. Kukowska-Latallo, J. R. Baker, Pharm. Sci. Technol. Today 2000, 3, 232245. [13] A. Archut, G. C. Azellini, V. Balzani, L. De Cola, F. Vögtle, J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 12187-12191; M. W. P. L. Baars, R. Kleppinger, M. H. J. Koch, S.-L. Yeu, E. W. Meijer, Angew. Chem. 2000, 112, 1341-1344; Angew. Chem. Int. Ed. 2000, 39, 1285-1288. [14] D. A. Tomalia, H. Baker, J. R. Dewald, M. Hall, G. Kallos, S. Martin, J. Roeck, J. Ryder, P. Smith, Polym. J. 1985, 17, 117-132; D. A. Tomalia, H. Baker, J. R. Dewald, M. Hall, G. Kallos, S. Martin, J. Roeck, J. Ryder, P. Smith, Macromolecules 1986, 16, 2466-2468. [15] J. W. Lee, B.-K. Kim, H. J. Kim, S. C. Han, W. S. Shin, S.-H. Jin, Macromolecules 2006, 39, 2418-2422. [16] Y. Haba, C. Kojima, A. Harada, K. Kono, Angew. Chem. 2007, 119, 238-241; Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 234-237. [17] I. J. Majoros, C. B. Metha, J. R. Baker Jr., Mathematical Description of Dendrimer Structure; http://www.forsight.org/conferences/MNT8/abstract/Majoros/index.html [18] I. J. Majoros, L. Piehler, D. A. Tomalia, J. R. Baker Jr., Synthesis and Characterisation of Novel POPAMPAMAM (POMAM) Hybrid Dendrimers as a Building Block in Nanotechnology. http://www.forsight.org/conferences/MNT8/abstract/Baker/index.html [19] Dissertation J. Friedhofen, Kekulé-Institut der Universität Bonn, 2006: „http://hss.ulb.uni-bonn.de/diss_online“ [20] B. Qualmann, M. M. Kessels, H.-J. Musiol, W. D. Sierralta, P. W. Jungblut, L. Moroder, Angew. Chem. 1996, 108, 970-973; Angew. Chem. Int. Ed. 1996, 35, 909-911.

154

4. Dendrimer-Typen und -Synthesen

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Literaturverzeichnis und Anmerkungen zu Kapitel 4.1

155

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4. Dendrimer-Typen und -Synthesen

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Literaturverzeichnis und Anmerkungen zu Kapitel 4.1

157

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158

4. Dendrimer-Typen und -Synthesen

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4.2 Chirale Dendrimere

159

4.2 Chirale Dendrimere 4.2.1 Klassifizierung chiraler Dendrimere Chiralität in dendritischen Architekturen kann auf Patente von Denkewalter et al. zurückgeführt werden, in denen der Aufbau Peptid-ähnlicher dendritischer Strukturen aus L-LysinEinheiten beschrieben ist.[1] Trotz der teils aufwendigen Synthese wurde bis zum heutigen Tag eine Vielzahl von chiralen dendritischen Strukturen hergestellt und auf ihre Eigenschaften hin untersucht.[2] Dies lässt sich nicht allein durch das eher akademische Interesse am Einfluss chiraler monomerer Bausteine auf die Chiralität des Gesamtmoleküls erklären. Auch die Aussicht auf den Einsatz chiraler Dendrimere als Modell-Verbindungen für Biopolymere in molekularen Erkennungsprozessen, die Entwicklung neuer dendritischer Materialien für die Sensortechnologie und die asymmetrische Katalyse werden eine Triebfeder für die Forschung auf diesem Gebiet bleiben. Bei der Klassifizierung chiraler Dendrimere können der Weg, auf dem die Chiralität in das Molekül eingeführt wurde, oder die Stelle, an der chirale Bauelemente implementiert sind, als Unterscheidungskriterium herangezogen werden. Danach sind die bislang in der Literatur beschriebenen chiralen Dendrimere einer der folgenden Gruppen zuzuordnen (Bild 461):[2a,c,3] x

(A) Dendrimere mit chiralem Kern und achiralem Verzweigungsgerüst (s. Abschnitt 4.2.3)

x

(B) Dendrimere mit chiralen Endgruppen (s. Abschnitt 4.2.5)

x

(C) Dendrimere mit chiralen Spacern oder chiralen Verzweigungseinheiten (s. Abschnitt 4.2.4)

x

(D) Dendrimere mit achiraler Kerneinheit und wenigstens drei konstitutionell unterschiedlichen Dendrons

x

(E) Dendrimere mit sowohl chiralem Kern als auch chiralen Verzweigungeinheiten und chiralen Endgruppen.

Die beiden letzten Dendrimer-Typen sind weniger bekannt, weil bei D die Chiralität niedrig oder bei E die Deutung chiraler Effekte erschwert sein dürfte (s. Kapitel 4.2.7).

160

4. Dendrimer-Typen und -Synthesen

* ** *

** * * * * ** * ** *

*

A

** * * * * * * *

** * *

B

* * *

* * ** *

*

** * * * * * * **

* * * * ** ** * ** * * * * * ** * * * * * ** * * * * * * * ** * ** ** * ** * * * * * ** * **

* *

*

*

C

D

*

* *

E

= chirale Kerneinheit = chirale Endgruppe = chirales Dendrimergerüst, aufgebaut aus chiralen Verzweigungsbausteinen oder chiralen Spacern

Bild 4-61 Klassifizierung (A-E) chiraler Dendrimere. Die Position des Chiralitätselements (Kerneinheit, Endgruppe, Verzweigungseinheit) ist jeweils mit einem roten Stern symbolisiert

In den meisten Fällen wird die Chiralität durch stereogene Zentren (Stereozentren) hervorgerufen. So werden häufig optisch aktive Naturstoffe, wie Aminosäuren,[4] Kohlenhydrate[5]oder Nukleinsäuren[6] als Bausteine oder Endgruppen verwendet, um Chiralität in Dendrons oder Dendrimere einzuführen. Neben diesen gibt es auch chirale Dendrimere, die mit synthetischen chiralen Bausteinen hergestellt werden und der systematischen Untersuchung des Einflusses chiraler Bausteine auf die Dendrimer-Konformation dienen. Hierzu gehören auch dendritische Strukturen, deren Chiralität auf planar-chiralen,[7] axial-chiralen,[8] topologisch-chiralen[9] oder cycloenantiomeren[7b] Einheiten beruht. Meistens handelt es sich hierbei um Dendrimere mit chiraler Kerneinheit (Fall A in Bild 4-61).

4.2 Chirale Dendrimere

161

4.2.2 Untersuchungen zur Chiralität dendritischer Moleküle 4.2.2.1 Chiroptische Untersuchungen Untersuchungen zur Chiralität dendritischer Moleküle basieren in der Regel auf der Interpretation analytischer Daten wie des optischen Drehwerts oder des Circulardichroismus. Diese chiroptischen Parameter sind empfindlich gegenüber Konformationsänderungen, weshalb chiroptische Untersuchungsmethoden oft zur Strukturaufklärung in Lösung herangezogen werden.[10] So lassen sich auch aus dem Vergleich der chiroptischen Eigenschaften von Dendrimeren mit denen der entsprechenden chiralen Monomere oder geeigneter ModellVerbindungen üblicherweise Informationen zum Einfluss der chiralen Bausteine auf die konformative Ordnung von Dendrimeren ableiten.[11] Bei Dendrimeren, die mehr als einen monomeren chiralen Baustein enthalten, lässt eine additive Beziehung zwischen den chiroptischen Parametern der einzelnen Monomere und der gesamten Dendrimer-Struktur darauf schließen, dass das konformative Gleichgewicht der monomeren Bausteine durch den Einbau ins Dendrimer-Gerüst nicht gestört wird. Werden hingegen beispielsweise bei Dendrimeren mit chiralen peripheren Gruppen Abweichungen von dieser Additivität festgestellt, können Packungseffekte wirksam sein und die chiralen monomeren Bausteine des Dendrimers in anderen Konformationen vorliegen als die freien Monomere. In Abhängigkeit vom Dendrimer-Typ sind die ehemaligen Monomere in verschiedenen Teilen des Dendrimer-Gerüsts implementiert, wo sie eine unterschiedliche lokale Umgebung aufweisen. In solchen Fällen kann eine Abweichung von der Additivität andererseits auch mit konstitutionellen Unterschieden erklärt werden.[11] Bei vergleichenden Untersuchungen an Dendrimeren einer Serie ist zu beachten, dass zwischen den Dendrimeren verschiedener Generation in der Regel große Massenunterschiede bestehen und sich die spezifischen Drehwerte mit der Konzentration der gemessenen Lösung verändern können. Deshalb ist es häufig sinnvoller, den molaren Drehwert [ĭ]D zu betrachten, da dieser die spezifische Drehung in Abhängigkeit vom Molekulargewicht wiedergibt und damit auf die gleiche Anzahl von Molekülen bezogen ist. Durch die Auswahl geeigneter chiraler Bausteine und ihrer Platzierung an vorher festgelegten Positionen innerhalb des Dendrimer-Gerüsts mithilfe konvergenter oder divergenter Synthesemethoden kann der Einfluss der dreidimensionalen Anordnung dieser chiralen Elemente auf die makroskopischen chiroptischen Eigenschaften der Dendrimere untersucht werden. Grundsätzlich besteht das Ziel darin, die Faktoren zu definieren, die zur makroskopischen Chiralität des Dendrimers führen. Trotz zahlreicher Untersuchungen zu dieser Thematik konnte die Beziehung zwischen der molekularen Chiralität der dendritischen Bausteine und der makroskopischen Chiralität der Moleküle noch nicht vollständig geklärt werden.[12] Diese Beziehung zu verstehen, ist jedoch für die Entwicklung neuer – auch polymerer – Materialien wichtig, deren Eigenschaften und Funktion von ihrer Chiralität auf makroskopischer Ebene abhängen.[13]

4.2.2.2 Mögliche Nutzung chiraler Dendrimere Von Anwendungsinteresse ist die Fähigkeit chiraler Dendrimere zur stereoselektiven Wirt/Gast-Wechselwirkung und Clathrat-Bildung. Solche Eigenschaften könnten zum Ein-

162

4. Dendrimer-Typen und -Synthesen

satz in der Sensortechnologie[14] und zur Entwicklung neuer chiraler ChromatographieMaterialien (chirale stationäre Phasen, „CSP“; engl. Chiral Stationary Phases) auf Dendrimer-Basis führen. Auch ein Einsatz chiraler dendritischer Strukturen als Katalysatoren oder Liganden in der asymmetrischen Synthese wird erwartet[15] (s. Kapitel 8.2.3). Mit ihrer im Idealfall monodispersen und asymmetrischen, globulären Struktur ähneln Dendrimere höherer Generation, die aus optisch aktiven Naturstoffen aufgebaut sind, in der Natur vorkommenden makromolekularen Systemen. Der Fokus des Interesses gilt deshalb der möglichen Rolle solcher chiralen Dendrimere in biologischen Systemen[16] und weniger der Untersuchung ihrer chiroptischen Eigenschaften. Biokompatible Dendrimere dieser Art sind vor allem als mögliche Enzym-Mimetika[17] interessant. Darüber hinaus wird ihre Eignung als Wirkstoff-Träger für den Einsatz in der Medizin untersucht. Die folgenden Abschnitte befassen sich mit den unterschiedlichen Typen (A-E in Bild 4-61) chiraler Dendrimere. Es werden einzelne Arbeiten vorgestellt, die Erkenntnisse über die Beziehung zwischen der molekularen Chiralität der dendritischen Bausteine und der makroskopischen Chiralität der Moleküle sowie anwendungsrelevante Eigenschaften von chiralen Dendrimeren geliefert haben.

4.2.3 Dendrimere mit chiralem Kern und achiralem Verzweigungsgerüst Dendrimere mit Chiralität im Kern werden verhältnismäßig einfach in einer konvergenten Synthese durch Anknüpfung achiraler Dendrons an eine chirale Kerneinheit erhalten. Auf diese Weise (Williamson-Ether-Kupplung) wurde bereits eine Vielzahl von Poly(arylether)Dendrimeren vom Frechét-Typ mit chiraler Kerneinheit hergestellt. Aufgrund ihrer strukturellen Reinheit dienen die konvergent synthetisierten Dendrimere vor allem der Untersuchung folgender Fragestellungen zur Chiralität synthetischer Makromoleküle: x

Bleibt die optische Aktivität der chiralen Kerneinheit beim Anknüpfen eines Verzweigungsgerüsts aus achiralen Bausteinen erhalten?

x

Kann die Chiralität der Kerneinheit auf einen weiter entfernten Molekülteil übertragen werden und eine chirale konformative Ordnung induzieren?

x

Ermöglicht die chirale Kerneinheit eine enantioselektive (Dendrimer-)Wirt/(Substrat-)Gast-Komplexierung im Inneren des Dendrimer-Gerüsts?

4.2.3.1 Chiroptische Untersuchungen kernchiraler Dendrimere Die ersten kernchiralen Dendrimere für Untersuchungen zum Einfluss der stereogenen Zentren einer Kerneinheit auf die chiroptischen Eigenschaften des Gesamtmoleküls wurden von der Arbeitsgruppe Seebach vorgestellt.[18] Sie synthetisierte zunächst Dendrimere auf der Basis einer chiralen Tris(hydroxymethyl)methan-Kerneinheit. An diesen waren FréchetDendrons der nullten bis zweiten Generation direkt oder durch einen aliphatischen (n-PropylSpacer) oder aromatischen Abstandshalter (p-Xylylen-Spacer) vom Kern getrennt angebracht (Bild 4-62). Die Dendrimere mit aliphatischem Spacer zeigten bemerkenswerterweise keine nennenswerte optische Aktivität. Dieser „Verlust“ der chiralen Information wurde auf einen „Verdünnungseffekt“, hervorgerufen durch Anknüpfung der achiralen Dendrons an die chirale Kerneinheit, und der – durch die konformativ beweglichen aliphatischen Spacer – gesteigerten Flexibilität der Dendrons zurückgeführt. Im Falle der Dendrimer-Serie mit aromati-

4.2 Chirale Dendrimere

163

schem Spacer (p-Xylylen) wurden hingegen unabhängig von der Generationszahl nahezu konstante molare Drehwerte ([ĭ]DRT G0: +98, G1: +101, G2: +103) gemessen. Dies weist darauf hin, dass die Chiralität der Kerneinheit „erhalten“ bleibt, sie jedoch keine nennenswerten chiralen Unterstrukturen im Dendrimer-Gerüst induziert. Bei den Dendrimeren ohne Spacer zwischen Kerneinheit und Dendrons wurde beim Übergang von der ersten zur zweiten Generation zunächst eine leichte Abnahme der molaren Drehwerte ([ĭ]DRT G0: +48; G1: +46) und beim Übergang zur zweiten Generation nahezu eine Verdopplung des molaren Drehwerts beobachtet [([ĭ]DRT G1: +46; G2: +87). Dies wurde als Hinweis darauf gewertet, dass die chirale Kerneinheit innerhalb des größeren Dendrimers aufgrund der insgesamt steiferen Gesamtstruktur eine chirale konformative Ordnung in Richtung Dendrimer-Peripherie zu induzieren vermag. R O

O

R

O R

R

*

O

R

*O

*O

O

O

R

* O

O O

*

* O

O

R O

R O R

A

C

B

R=

O

O

G0

O

G1

O

O O

O

O

G2

Bild 4-62 Kernchirale Dendrimere verschiedener Generation (nach Seebach et al.), bestehend aus einer chiralen Tris(hydroxymethyl)methan-Kerneinheit und Poly(arylether)-Dendrons (G0, G1 oder G2), die entweder direkt (A), über einen aliphatischen Spacer (B) oder über einen aromatischen Spacer (C) an den Kern geknüpft sind

Insgesamt zeigen die Untersuchungen an Poly(benzylether)-Dendrimeren mit verschiedenen chiralen Kerneinheiten, dass der Einfluss des achiralen Dendrimer-Gerüsts auf die chiroptischen Eigenschaften der Kerneinheit in erster Linie davon abhängt, welchen Ursprung ihre Chiralität hat.

164

4. Dendrimer-Typen und -Synthesen

So nehmen die molaren Drehwerte enantiomerenreiner dendritischer Analoga des axialchiralen (S)-1,1’-Bi-2-naphthols (Bild 4-63) beim Übergang von der zweiten zur fünften Dendrimer-Generation zunehmend negative Werte an. Eine quantitative Analyse der CDDaten ergab, dass dies auf eine Aufweitung des Torsionswinkels zwischen den beiden Naphthyl-Gruppen infolge der wachsenden sterischen Hinderung zwischen den dendritischen Substituenten zurückgeführt werden kann.[8c]

O O O

O

O

O O

O

O O

O

O

O O

O

O

O O O

O O

O

O

O

O O

O 2'

2O

O O

* 6

6'

Bild 4-63 Poly(benzylether)-Dendrimer der dritten Generation mit axial-chiraler Binapthyl-Kerneinheit

Weiterführende Untersuchungen weisen darauf hin, dass der Torsionswinkel der BinapthylEinheit nicht nur vom sterischen Anspruch der beiden dendritischen Substituenten abhängt, sondern auch von deren Stellung an der Kerneinheit. So hat die Anknüpfung von FréchetDendrons an die 6- und 6’-Position einen deutlich geringeren Effekt auf den Torsionswinkel der Binapthyl-Kerneinheit als die an die 2- und 2’-Position; die Werte für die molare optische Rotation bleiben unabhängig von der Generationenzahl nahezu konstant. Zu den selteneren Vertretern Kern-chiraler Dendrimere gehören solche, die über planarchirale [2.2]Paracyclophane, topologisch chirale [2]Catenane und molekulare Knoten[9] oder cycloenantiomere [2]Rotaxane[7b] als Kerneinheit verfügen. Bei der CD-spektroskopischen Untersuchung einer Serie von planar-chiralen „Dendrophanen“[7b, 19] (Bild 4-64) und topologisch-chiralen „Dendroknoten“[9a, b] (Bild 4-65) mit Poly(benzylether)-Dendrimer-Gerüst vom Fréchet-Typ wurde eine Verstärkung des CD-Signals mit zunehmender Größe der dendritischen Substituenten festgestellt. Dieser Dendritische Effekt (s. Kapitel 6.3) weist darauf hin, dass der chirale Kern einen Circulardichroismus im „inhärent“ achiralen Poly(benzylether)-Dendrimer-Gerüst induziert, indem er die Dendrimer-Zweige unter dem Einfluss der zunehmenden sterischen Hinderung in eine chirale konformative Anordnung zwingt (Näheres hierzu s. Abschnitt 4.2.7).

4.2 Chirale Dendrimere

165

O

O

= O

O

O O

O O

O O

O

O

O

Bild 4-64 Dendryl-Substituenten am [2.2.]Paracyclophan-Kern: Dendrophane

=

O

O

Bild 4-65 Dendron-substituierte Knoten (schematisch): Dendroknoten

Die lokale Chiralität einer Kerneinheit muss nicht zwingend in einer makroskopischen Chiralität des Dendrimers zum Ausdruck kommen. Dies verdeutlicht das Beispiel der von Meijer et al. aus einem Glycerin-Derivat als chiraler Kerneinheit und vier Fréchet-Typ-Dendrons unterschiedlicher Generation aufgebauten Dendrimere (Bild 4-66). Bei beiden enantiomeren

166

4. Dendrimer-Typen und -Synthesen

Formen (S)-1 und (R)-1 war mit den zur Verfügung stehenden analytischen Methoden keine optische Aktivität messbar.[2a]

O

O O

O

O

O

*

O

* O

O

O

O

O

O O

O

O

O

O

O O

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(S)-1

O

(R)-1

O

O O O

O

* O O

O

O

O

O

(S)-2

Bild 4-66 Während für die Enantiomere des „kryptochiralen“ Dendrimers 1 (mit 3,5-substituierten Benzen-Ringen) keine optische Aktivität gemessen werden konnte, zeigt das konstitutionsisomere (2,6-substituierte) Dendrimer 2 eine geringe, aber messbare optische Aktivität

Solche enantiomerenreinen chiralen Verbindungen, die im üblicherweise genutzten UV/VisSpektralbereich von 200 bis 800 nm nicht optisch aktiv sind, können nach Mislow et al. als „kryptochiral“ bezeichnet werden, da die chirale Information sozusagen versteckt (kryptisch) im Molekül vorliegt[12a, 20] Die Kryptochiralität der Dendrimere wird einerseits mit der ausgeprägten konformativen Beweglichkeit der Dendrimer-Äste und andererseits mit den geringen elektronischen Unterschieden der dendritischen Substituenten erklärt. Durch Anknüpfung von Polybenzylether-Dendrons mit sterisch anspruchsvollereren Verzweigungseinheiten (2,6-Substitutionsmuster am Benzolring; vgl. (S)-2 in Bild 4-66) an einen analogen (S)-(+)-konfigurierten Kern wurde dagegen ein Dendrimer erhalten, das überraschenderweise – bei niedrigen Temperaturen – optische Aktivität zeigt.[21] Bei 30°C verschwindet die optische Aktivität des Dendrimers allerdings wieder, was sich aber mit der

4.2 Chirale Dendrimere

167

höheren Flexibilität des Dendrimer-Gerüsts bei dieser Temperatur erklären lässt. Demnach muss das Molekülgerüst bei Dendrimeren dieses Typs einen bestimmten Grad an struktureller Starrheit aufweisen, damit der Kern eine chirale Konformation im Dendrimer-Gerüst zu induzieren vermag und die lokale Chiralität des Kerns in einer für das Gesamtmolekül charakteristischen makroskopischen Chiralität zum Ausdruck kommt. Diese Feststellung steht im Einklang mit den Ergebnissen chiroptischer Untersuchungen an anderen Dendrimeren mit chiraler Kerneinheit. Aufschluss über eine „Weiterleitung“ der Chiralität in Dendrimer-Molekülen gaben auch von optisch aktiven Alkaloiden abgeleitete Dendrimere verschiedener Generationen. Ausgehend von Atropin bzw. Chinin wurden durch Quaternisierung am aliphatischen Stickstoff mit dendritischen Benzylbromiden vom Fréchet-Typ entsprechende Ammoniumsalze 1 bzw. 2 bis zur dritten Generation synthetisiert (Bild 4-67)[22].

Br N

* * * *

* * N* * *

Br HO OH

O

O

*

N

O

1

2

O

O

O

G1

G0 =

O

O

O O

O

O O

O

O

O

O

O

O O

O

G2

O

O

O

O

G3

Bild 4-67 Dendritisch substituierte Alkaloid-Derivate (nach Vögtle et al.)

Die entsprechenden Racemate wurden durch HPLC an chiralen Stationärphasen (CSP) in die Enantiomere getrennt.[23] Chiroptische Untersuchungen mittels Circulardichroismus ließen auf einen Einfluss des chiralen Dendrimer-Kerns auf den (achiralen) dendritischen Molekülteil schließen. Die Chiralität erwies sich als abhängig von der Art der Chiralitäts-Elemente

168

4. Dendrimer-Typen und -Synthesen

und der Generationszahl der formal achiralen dendritischen Verzweigungen, die am chiralen Kern angebracht waren: „Dendritischer Effekt“ (s. Kapitel 6.3). Beispielhaft sollen hier die Vorgehensweise und die Schlussfolgerungen etwas ausführlicher beschrieben werden:[22] Bild 4-68 gibt die Circulardichrogramme der jeweils nullten bis zweiten Generationen wieder. Im links stehenden Diagramm fällt auf den ersten Blick das nahezu spiegelbildliche Aussehen der Cotton-Effekte der Enantiomere (mit Maximum um 220 nm) auf. Die Intensitäten der molaren Circulardichroismen nehmen mit steigender Dendrimer-Generation zu (Dendritischer Effekt). Es wurde daher angenommen, dass für einen solchen verstärkten DichroismusEffekt ein CD-Signal in die achiralen Zweige induziert wird, wenn sie in eine chirale Umgebung platziert werden. Da die Anzahl der chromophoren Gruppen (Benzen- und Dimethoxybenzen-Einheiten) mit höherer Generation ansteigt, wurde auch ein vermehrter GesamtExtinktions-Koeffizient für die Enantiomere erhalten. Das etwas verschobene Maximum für die höheren Generationen bei 220 nm kann durch eine Überlappung der Carbonyl-Absorption der Atropin-Einheit und die intensive Absorption der höheren Anzahl von Chromophoren der Polybenzylether-Dendrons erklärt werden. Auch bei den Chinin-Dendrimeren wurden mit Vergrößerung der dendritischen Zweige, die an den chiralen Kern angehängt sind, verstärkte Cotton-Effekte beobachtet.

Bild 4-68 Circulardichrogramme dendritisch substituierter Atropine (1) und Chinine (2); jeweils nullte bis zweite Generation (nach Vögtle et al.)

Mittels Schwingungs-Circulardichroismus (Vibrational Circular Dichroism; VCD) konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass der beobachtete dendritische Effekt mehr auf die Benzen- und COC-Gruppen zurückgeführt werden kann als auf die CH2-Untereinheiten der dendritischen Verzweigungen. Auch beim VCD wurden mit zunehmender Generation stärkere CD-Signale beobachtet, für welche die steigende Anzahl von Benzen- und Dimethoxybenzen-Einheiten (Chromophore) bei höheren Generationen verantwortlich gemacht werden. Insgesamt ist dieser zunehmende (positive) Dendritische Effekt mit wachsender Generationszahl ähnlich den Verhältnissen bei den Dendrophanen und Dendroknoten (siehe Bilder 4-64, und 4-65) zu sehen. Im Vergleich zu jenen chiralen Architekturen (mit planar-chiralen bzw. topologisch chiralen Elementen) liegen bei den hier beschriebenen Dendron-substituierten

4.2 Chirale Dendrimere

169

Alkaloiden relativ einfache zentrochirale Einheiten vor, wobei beide Ammoniumsalze fünf Stereozentren enthalten. Eine mögliche Erklärung für dieses öfters zu erwartende Phänomen des induzierten Circulardichroismus könnte darin bestehen, dass eine chiral induzierte Bildung einer Propeller-artigen Anordnung der Benzen-Ringe in den dendritischen Flügeln vorliegt. In solchen „Mikrodomänen“ könnte ein Chiralitätssinn (im oder gegen den Uhrzeigersinn) bevorzugt sein und zu verstärkten Cotton-Intensitäten führen. Theoretische Berechnungen könnten in Zukunft helfen, solche Befunde detaillierter zu deuten, aber derzeit sind trotz großer Fortschritte bei der Interpretation von CD-Spektren exakte Berechnungen bei derart flexiblen und großen Molekülen – die zahlreiche unterschiedliche, energetisch ähnliche Konformationen einnehmen können – noch schwierig. Die bisherigen Untersuchungen an kernchiralen Dendrimeren liefern wichtige Hinweise auf den Einfluss des achiralen Dendrimer-Gerüsts auf die chiroptischen Eigenschaften der Kerneinheit. Sie zeigen jedoch auch, dass die Voraussage der chiroptischen Eigenschaften des Dendrimers schwierig ist, da die chirale Beziehung zwischen der lokalen Chiralität der Kerneinheit und der nanoskopischen Konformation der gesamten Dendrimer-Struktur von einer Vielzahl an strukturellen Faktoren beeinflusst wird. Um genauer zu verstehen, auf welchem Weg ein einzelner chiraler Kernbaustein Chiralität in der gesamten Dendrimer-Architektur induzieren kann, bedarf es noch weiterer Untersuchungen (s. Abschnitt 4.2.7). Zum Schluss sei noch auf dendronisierte chirale Salen-Liganden und ihre Co2+- und Ni2+Komplexe hingewiesen, die für den Einsatz als Jacobsen-Typ-Katalysatoren durch DiazaCope-Umlagerung dargestellt wurden.[24] Anstelle der erhaltenen meso-Verbindungen müssen allerdings noch die Enantiomere direkt enantioselektiv synthetisiert werden (Bild 4-69).

Bild 6-69 Chirale Salen-Liganden (nach Vögtle, Portner)

4.2.3.2 Mögliche Einsatzbereiche für kernchirale Dendrimere Das erste Beispiel für den Einsatz eines kernchiralen Dendrimers als enantioselektiver Rezeptor in molekularen Erkennungsprozessen wurde von Diederich vorgestellt (s. Bild 4-70). Dieses als „Dendrocleft“ bezeichnete Dendrimer fungiert als enantioselektiver Rezeptor für

170

4. Dendrimer-Typen und -Synthesen

Monosaccharide. Es trägt eine zentrale axial-chirale 9,9’-Spirobi[9H-fluoren]-Einheit, welche über zwei Spacer aus 2,6-Bis(carbonylamino)pyridin-Gruppen jeweils in 2,2’-Position mit Triethylenglykolmonomethylether-Dendrons verknüpft ist.[14b] Sowohl 1H-NMR-Untersuchungen als auch die Analyse der Sensorantworten im CD-Spektrum – nach Zugabe von Zucker-Gast zum Dendrocleft-Wirt – zeigen, dass die Fähigkeit dieses dendritischen Wirts zur enantioselektiven Erkennung von Monosacchariden mit steigender Generation der die chirale Kerneinheit umgebenden Dendrons abnimmt. Die Diastereoselektivität des dendritischen Wirts nimmt hingegen zu. Dies weist darauf hin, dass die Monosaccharid-Gäste bei Abschirmung der chiralen Kerneinheit mit sterisch anspruchsvolleren Dendrons in Dendroclefts höherer Generation nicht mehr in unmittelbarer Nähe der chiralen Kerneinheit gebunden werden, sondern eine weniger spezifische Wirt/Gast-Wechselwirkung mit dem DendrimerGerüst erfolgt. O O O O

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Bild 4-70 Dendrocleft (nach Diederich et al.) zur stereoselektiven Wirt/Gast-Wechselwirkung in Abhängigkeit von der Größe des den chiralen Kern (rot gekennzeichnet) umgebenden Dendrimer-Gerüsts

Den Prototyp eines ersten Fluoreszenz-Sensors für die enantioselektive Erkennung chiraler Aminoalkohole synthetisierten Pu et al. durch Anknüpfen von Phenylacetylen-Dendrons an eine axial-chirale Binaphthol-Kerneinheit (s. Bild 4-71).[14c,d, 25]

4.2 Chirale Dendrimere

171 t

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Bild 4-71 Axial-chiraler dendritischer Fluoreszenz-Sensor zur enantioselektiven Erkennung chiraler Aminoalkohole (nach Pu et al.). Der chirale Kern ist durch einen roten Stern gekennzeichnet

Derartige chirale, lumineszierende Dendrimere, deren Fluoreszenz durch das eine Enantiomer eines chiralen Gastmoleküls deutlich stärker gelöscht (gequencht) wird als durch das spiegelbildliche andere, wären für die rasche Bestimmung der enantiomeren Zusammensetzung chiraler Verbindungen von Interesse und könnten Anwendung bei der kombinatorischen Suche nach chiralen Katalysatoren finden.

4.2.4 Dendrimere mit chiralen Bausteinen als Spacer oder Verzweigungseinheiten 4.2.4.1 Chiroptische Untersuchungen von Dendrimeren mit chiralem DendrimerGerüst Bei Dendrimeren mit Trimesinsäure als achiraler Kerneinheit und vollständig chiralem Polyether-Dendrimer-Gerüst basierend auf 1,2-Diol-Verzweigungseinheiten (Bild 4-72) beobachteten Sharpless et al. eine Zunahme des spezifischen Drehwerts mit steigender Generationszahl.[27] Die beobachteten molaren optischen Drehwerte entsprachen dabei der Summe der Drehwerte der chiralen monomeren Bausteine. Dies weist darauf hin, dass die optische Akti-

172

4. Dendrimer-Typen und -Synthesen

vität durch die chiralen Einheiten hervorgerufen wird und nicht durch eine chirale konformative Anordnung (Ausrichtung) des Dendrimer-Gerüsts (s. auch Abschn. 4.2.7). O O

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Bild 4-72 Dendrimer mit „vollständig“ chiralem Dendrimer-Gerüst basierend auf chiralen Verzweigungseinheiten (nach Sharpless et al)

Zu ähnlichen Ergebnissen gelangten Chow und Mak bei der Untersuchung der chiroptischen Eigenschaften von Dendrimeren, die aus Weinsäure gewonnene enantiomerenreine ThreitolBausteine als Spacer zwischen den achiralen Phloroglucin-Verzweigungseinheiten enthielten (s. Bild 4-73).[27] Sie stellten fest, dass sich die chiralen Spacer im Dendrimer-Gerüst gegenseitig nicht beeinflussen und additiv zum gesamten Drehwert beitragen. Darüber hinaus beobachteten sie, dass beim Einbau beider Enantiomere jeweils eine (R,R)-Threitol-Einheit genau den Drehwertanteil einer (S,S)-Threitol-Einheit kompensierte, wenn die enantiomeren Bausteine jeweils an gleicher Position innerhalb des Dendrimer-Gerüsts liegen. Aus CDspektroskopischen Daten ging allerdings hervor, dass der Beitrag der äußeren im Vergleich

4.2 Chirale Dendrimere

173

mit dem Beitrag der inneren Threitol-Einheiten zum Gesamtdrehwert geringfügig verschieden sein muss. O

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Bild 4-73 Durch gezielten Einbau beider Enantiomere (RR, SS) eines chiralen Spacers (Threitol) wird der Drehwert bei diesen Dendrimeren kompensiert (nach Chow und Mak; Stereozentren sind rot markiert)

Majoral et al. bauten ausgehend von Phosphor-haltigen Dendrimeren der 5. bzw. 3. Generation mit peripheren planar-chiralen Ferrocen-Gruppen höhere Dendrimer-Generationen auf.[28] Auf diese Weise konnten sie die optisch aktiven Gruppen gezielt auf einer bestimmten Generationsstufe innerhalb des Molekülgerüsts positionieren. Beim Vergleich der chiroptischen Eigenschaften zeigten sich Übereinstimmungen zwischen dem Verhalten der Dendrimere hoher Generation und klassischen Polymeren. So werden die chiroptischen Eigenschaften nur durch die Zahl der chiralen Gruppen und ihre chemische Umgebung beeinflusst, nicht aber durch ihre Position innerhalb des Molekülgerüsts.

4.2.4.2 Mögliche Einsatzbereiche für Dendrimere mit chiralem Verzweigungsgerüst Aufgrund ihrer Größe und der Möglichkeit, die Dendrimer-Struktur und globuläre Morphologie über die Synthese zu kontrollieren, sind Dendrimere mit chiralem Verzweigungsgerüst als mögliche Protein-Mimetika von Interesse. Zudem sollte die Einführung chiraler Verzweigungseinheiten oder Spacer in das Molekülgerüst zur Entwicklung unsymmetrischer makromolekularer Konformationen führen und chirale Hohlräume für die asymmetrische Katalyse oder chirale Erkennungsprozesse bereitstellen.

4.2.5 Chiralität in der Peripherie Eine der gängigsten Methoden zur Herstellung chiraler Dendrimere ist die Anknüpfung chiraler Einheiten an die peripheren Funktionalitäten eines divergent aufgebauten Dendrimers.

174

4. Dendrimer-Typen und -Synthesen

Alternativ können Dendrimere mit Chiralität in der Molekülperipherie auch ausgehend von chiralen monomeren Einheiten nach der konvergenten Methode aufgebaut werden.

4.2.5.1 Chiroptische Untersuchungen von Dendrimeren mit peripheren chiralen Einheiten Das erste Beispiel für ein Dendrimer mit peripheren chiralen Einheiten präsentierten Newkome et al. 1991.[29] HO

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Bild 4-74 Peripher Tryptophan-substituiertes Arborol zweiter Generation (nach Newkome et al.)

4.2 Chirale Dendrimere

175

Sie funktionalisierten Polyether-amid-Dendrimere (Arborole; s. Kapitel 1) bis zur zweiten Generation mit enantiomerenreinen Tryptophan-Einheiten (Bild 4-74). Die gemessenen optischen Aktivitäten pro chiraler Endgruppe waren bei allen Molekülen dieser Dendrimer-Serie ungefähr konstant. Im Gegensatz dazu nahm bei POPAM-Dendrimeren der ersten bis fünften Generation mit sterisch anspruchsvollen Boc-geschützten Aminosäuren als Endgruppen (Bild 4-75) der Drehwert pro chiraler Endgruppe mit zunehmender Generation deutlich ab und strebte gegen den Wert null.[30]

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Bild 4-75 POPAM-Dendrimer mit chiralen Boc-geschützten Aminosäuren in der Molekülperipherie (nach Meijer et al.)

176

4. Dendrimer-Typen und -Synthesen

Diesen Befund führten Meijer et al. darauf zurück, dass infolge der zunehmenden sterischen Hinderung einzelne Konformationen „eingefroren“ werden und sich somit gegenseitig aufheben. Diese These wird durch die Beobachtung gestützt, dass nach Einführung einer flexiblen Alkylkette zwischen den L-Phenylalanin-Einheiten und dem POPAM-Dendrimer-Gerüst die Drehwerte pro chiraler Gruppe von der ersten bis fünften Generation wieder annähernd gleich groß sind. Der aliphatische Spacer vergrößert den Radius des Dendrimers und sorgt so für einen größeren Abstand zwischen den chiralen Endgruppen, weshalb sich diese untereinander deutlich weniger beeinflussen.[2a] Einen bemerkenswerten Hinweis auf die Chiralität innerhalb der von 64 Boc-geschützten L-Phenylalanin-Einheiten „verschlossenen“ sogenannten „dendritischen Box“ (dendritische Schachtel) lieferte das Auftreten eines induzierten Circulardichroismus beim Einschluss bestimmter achiraler Farbstoffmoleküle.[31] Sowohl Newkome et al. als auch Meijer et al. stellten fest, dass eine zu dichte Anordung (Packung) von über Wasserstoffbrücken-Bindungen verknüpften chiralen Endgruppen die optische Aktivität des Dendrimers zunichte macht.[29, 30a] Die Untersuchungen von Newkome, Meijer und anderen Forschergruppen[29, 30a, 32] zeigen, dass bei Dendrimeren mit chiralen Endgruppen und ansonsten achiralem Molekülgerüst die optische Aktivität je Endgruppe generell für die verschiedenen Generationen ungefähr konstant bleibt, wenn die chiralen Gruppen gegenüber Packungsunterschieden unempfindlich sind.

4.2.5.2 Mögliche Einsatzbereiche für Dendrimere mit peripheren chiralen Einheiten Dendrimere mit gut zugänglichen chiralen Endgruppen wurden zum größten Teil für den Einsatz in der asymmetrischen Katalyse oder für molekulare Erkennungsprozesse synthetisiert. In der Hoffnung, biokompatible Dendrimere zu erhalten, die als Therapeutika zur Vorbeugung von Infektionen eingesetzt werden können, wurden PAMAM-Dendrimere,[33] PolyetherAmid-Dendrimere, Arborole[29, 34] (vgl. Bild 4-74) und POPAM-Dendrimere[30, 35] mit peripheren Aminosäure- bzw. Zucker-Einheiten ausgestattet.

4.2.6 Chirale Dendrimere für die asymmetrische Katalyse Viel Energie und Geld wurde und wird für die Entwicklung und Verbesserung von Katalysatoren für die asymmetrische Katalyse aufgewendet. Fehlende Möglichkeiten zur Rückgewinnung sorgen dafür, dass der Einsatz löslicher chiraler Metallkomplexe – sofern im großen Maßstab erforderlich – unwirtschaftlich wird. In den letzten Jahren sind zahlreiche Untersuchungen veröffentlicht worden, die sich mit den Möglichkeiten zur Rückgewinnung und zum Recycling solcher teuren asymmetrischen Katalysatoren beschäftigen. Eine denkbare Lösung besteht im Einbau von katalytisch aktiven Einheiten wie chirale Metall-Liganden in Dendrimere. Um mit Dendrimeren asymmetrische Katalyse zu betreiben, können die katalytisch aktiven Einheiten an verschiedenen Positionen im Dendrimer-Molekül eingebaut werden, z. B. als chirale Einheiten in die Molekülperipherie oder ins Innere des Dendrimers. Aber auch Dendrimere mit achiralen katalytisch aktiven Einheiten, die von chiralen Zweigen im Inneren des Dendrimers umgeben sind, sind für den Einsatz in der asymmetrischen Katalyse denkbar. Der regelmäßige Aufbau des Dendrimer-Gerüsts stellt sicher, dass jede katalytisch aktive Einheit nahezu dieselbe chirale Umgebung aufweist.

4.2 Chirale Dendrimere

177

Chirale Dendrimere mit katalytisch aktiven peripheren Gruppen untersuchten Meijer et al., indem sie POPAM-Dendrimere verschiedener Generation mit enantiomerenreinen Aminoalkoholen funktionalisierten.[2a, 34, 36] Beim Einsatz dieser Oberflächen-modifizierten Dendrimere für die enantioselektive Addition von Diethylzink an Benzaldehyd wurde eine abnehmende Katalyseleistung mit zunehmender Größe des Dendrimers festgestellt. Sowohl die Ausbeuten als auch die Selektivitäten verringerten sich und erreichten beim Dendrimer fünfter Generation mit 64 peripheren Einheiten das Minimum. Dieses Phänomen wurde auf die zunehmende sterische Hinderung in der Dendrimer-Peripherie und die damit einhergehende Beeinträchtigung der Konformations-Freiheit der katalytisch aktiven Gruppen zurückgeführt. Näheres zu Dendritischen Effekten in der Katalyse siehe Kapitel 6.3.2.

4.2.7 Zur Deutung der Chiralität dendritischer Moleküle In den vorangehenden Abschnitten über chirale Dendrimere war öfters ein „Dendritischer Chiralitätseffekt“ in Form von „Chiralitätsverstärkung“ oder „-Verringerung“ beim Übergang zu höheren Generationen konstatiert worden (positiver bzw. negativer Dendritischer Effekt). In diesem Abschnitt soll abschließend versucht werden, Erklärungsmöglichkeiten für diese – über die Dendrimer-Chemie hinaus wichtigen – Befunde aufzuzeigen. Dies ist nicht nur von allgemeinerem theoretischem Interesse (für das Verständnis der Chiralität), sondern auch für deren Anwendung (z. B. Katalyse; s. voriger Abschnitt 4.2.6, Kapitel 6.3.2 und 8.2). Außerdem lassen Befunde an Dendrimeren eventuell Rückschlüsse auf entsprechende Effekte bei Polymeren zu. Allgemeine Schlussfolgerungen zum Circulardichroismus und zur Chiralität von Dendrimeren sind im Kapitel 7.9 zusammengestellt. Chiralitäts-Verstärkung und -Verringerung: Die chiroselektive Wirt/Gast-Erkennung und chirale Induktion – bei chemischen Reaktionen – sind in den vergangenen Jahren immer wichtiger geworden. Bei chromatographischen Racemat-Trennungen mit chiralen Säulenmaterialien (CSP: Chiral Stationary Phase) werden immer höhere Anforderungen an die Trennleistung gestellt.[37c] Da Chiralitäts-Verstärkungen inzwischen große Bedeutung bei stereoselektiven Reaktionen und insbesondere bei der asymmetrischen Katalyse (s. auch Kapitel 8.2.3) beigemessen wird, seien hier einige Ansätze zur Deutung bei Dendrimeren näher erläutert. Dabei sind umgekehrt neuere Erkenntnisse aus der Polymer-Chemie bei stereoselektiven Polymerisationen dienlich, im Verlauf derer zentrochirale substituierte Alken-Monomere – intermolekular – zu helikalen Polymer-Strängen reagieren, sich also eine chirale Sekundärstruktur ausbildet. Deren Chiralität ist in bestimmten Fällen insgesamt höher als die durch die Stereozentren allein verursachte. Die Bildung chiraler Cluster achiraler Moleküle auf Oberflächen, die zu zweidimensional chiralen Objekten – dreidimensional bei Berücksichtigung der nur auf einer Seite befindlichen Oberfläche – führen, und Beobachtungen entsprechender dynamischer Racemisierungs-Effekte auf Oberflächen sind für Deutungen gleichfalls nützlich.[38] Im Bild 4-76 ist ein intramolekulares dynamisches Gleichgewicht eines Dendrimers mit vierflügeligen Dendrons gezeigt, in dessen Verlauf sich die (helikale) Propellerkonformation umkehrt, d.h. der Chiralitäts-Sinn sich ändert.[37a] In solchen Fällen wurde beobachtet, dass eine korrelierte Bewegung aller vier Dendrons stattfindet, also nicht ein Dendron allein die

178

4. Dendrimer-Typen und -Synthesen

Konformation wechselt, ohne dass sich die anderen drei Dendrons mitdrehen. Diese korrelierte konformative Beweglichkeit hängt selbstverständlich von der Größe, Gestalt und Steifheit der Dendrons ab. Jedenfalls zeigt sich auf diese Weise, dass selbst weit (Nanometer) voneinander entfernte Gruppen in einem Dendrimer hinsichtlich ihrer Beweglichkeit und auch hinsichtlich ihrer Chiralität voneinander abhängen, „miteinander kommunizieren“. Solche Vorgänge konnten mittels Temperatur-abhängiger NMR-Spektroskopie nachgewiesen werden (vgl. Kapitel 7.3.4).

Bild 4-76 Ein Dendrimer mit Propeller-artig angeordneten, flachen Dendrons, in dem sich durch korrellierte intramolekulare konformative Bewegung der Chiralitäts-Sinn umkehrt: Beim Umklappen eines der Dendrons müssen – wegen des partiellen sterischen Ineinandergreifens – die drei anderen zwangsweise mit umklappen (vgl. Bild 4-72). Auf diese Weise kann Konformations-Information (hier Chiralität) von einer an eine weit entfernte andere Stelle eines Dendrimers/Polymers übertragen werden (schematisch, nach Parquette et al.)

In Bild 4-77 ist angedeutet, wie eine solche Wechselwirkung über größere Entfernungen stattfinden könnte: Nach der sogenannten „Kick-line-Analogie“ für die „Allosterische Transmission“ (Übertragung) lokaler Störungen schließt sich eine ganze Reihe von Molekülteilen – hier als Gruppe von Tänzern veranschaulicht – einer Bewegung an. Wenn ein Molekülteil außen rechts (grün symbolisiert) stürzt, dann fallen alle anderen damit „gekoppelten“ Teile in ähnlicher Art und Weise um, womit die Störung selbst an entfernte Stellen weitergeleitet werden kann. Dies bedeutet, dass jeweils benachbarte Gruppen eine Störung („Botschaft“, „Chiralitäts-Information“) von einer Stelle des Dendrimers auf eine andere übertragen, wobei auch der Chiralitäts-Sinn (Links- oder Rechtsschraube) entsprechend beeinflussbar ist.

4.2 Chirale Dendrimere

179

Bild 4-77 „Schusslinien“-Analogie (Kick-line analogy; schematisch; nach Parquette et al.) für die allosterische Übertragung von lokalen Störungen ausgehend von einem bestimmten Molekül(-Teil) auf ein(en) anderes(n): Eine lineare Reihe von Tänzern bildet eine – durch spezifische Wechselwirkungen – definierte Tanzformation (Schusslinie), hier als eine zweidimensional-chirale Anordnung dargestellt (dreidimensional, wenn die als darunterliegend angenommene Papierfläche mitberücksichtigt wird – ähnlich wie bei zweidimensionalchiralen Anordnungen von Clustern auf Metalloberflächen).[38] Eine kleine Störung (rückwärts fallendes „grünes Männchen“ auf der rechten Seite des Bilds) an einer bestimmten Stelle der polymerisierenden Monomer-Reihe (intermolekular) oder an einer bestimmten Stelle eines Polymer-/Dendrimer-Moleküls (intramolekular) führt dazu, dass alle weiteren Personen (Moleküle oder Teile davon), die sich in Kontakt mit ihm befinden (miteinander wechselwirken), gleichfalls auf dieselbe Art in der gleichen Richtung fallen, wobei aufgrund der engen konformativen Verbindung der Chiralitäts-Sinn erhalten bleibt. Konformationelle Kooperativität der Monomer-Einheiten entlang des Polymer-Rückgrats verstärkt die energetische Differenz zwischen den beiden helikalen PolymerKonfigurationen. Sollte einer der Tänzer, die in synchronisierter Weise mit dem Fuß treten, in die falsche Richtung, nämlich entgegengesetzt zur Mehrzahl der anderen „schießen“, dann besteht die „Strafe“ darin, dass die anderen Tänzer, deren Bewegungen innerhalb der Linie korreliert sind, destabilisiert werden. Dieses Modell aus der PolymerChemie wurde durch statistische Thermodynamik quantifiziert; es kann als Modell für die Verstärkung chiraler Information auch in anderen Systemen – wie Dendrimeren – dienen

Dass solche konformativen und konfigurativen Effekte bei der Übertragung von Chiralität in Molekülen in der Realität vorkommen, zeigen entsprechende Befunde und Gedankenmodelle aus der Polymerchemie: Das „Sergeant-und-Soldaten“-Prinzip (Sergeant and soldierprinciple) und die „Majoritäts-Regeln“ (Majority rules-model).[38] Beim Sergeant-und-Soldaten-Effekt beeinflusst eine geringe Anahl von chiralen Molekül(teil)en (Sergeanten) die (Konformations-)Eigenschaften einer großen Anzahl achiraler Substrat-Molekül(teil)e (Soldaten). Konkret führt eine geringe Konzentration an optisch aktivem Monomer in einem überwiegend achiralen Monomer im daraus entstehenden Poly-

180

4. Dendrimer-Typen und -Synthesen

mer (Polyisocyanat) zum Vorherrschen eines einzigen helikalen Chiralitäts-Sinns. Das in Bild 4-78b illustrierte chirale – unter den herrschenden Bedingungen Inversions-fähige – Monomer (grün) wird durch die bereits vorhandene Schusslinie (kick-line a) gezwungen, in dieselbe Richtung zu „kicken“ (Bild 4-78c links), wodurch eine „Mismatch-Destabilisierung“(c, rechte Seite) aufgrund eines Kickens in die falsche Richtung vermieden wird. Aufgrund der Stabilität einer einmal gebildeten Polymer-Helix läuft dieser Prozess durch den gesamten Polymer-Faden und führt zu einer hohen chiralen Verstärkung („chiral amplification“): Wenige (grüne) Sergeanten kontrollieren das räumliche Ausrichten vieler Soldaten. Nach den Majoritäts-Regeln wird die Chiralität des im Überschuss vorliegenden Enantiomers eines chiralen Monomers bei der Polymerisation verstärkt[38] (Bild 4-78). Auch wenn nur ein kleiner Enantiomeren-Überschuss vorliegt, zeigt das resultierende Polymer eine helikale Ungleichheit, die mit dem entsprechenden chiralen Homopolymer identisch ist (Näheres siehe Legende zu Bild 4-78).

Bild 4-78 „Majoritätsregel-Prinzip“ als Modell für eine Chiralitäts-Verstärkung bei der (intermolekularen) Polymerisation von (einseitig substituierten) monomeren Ethenen zu Polymeren, das auch eine Vorstellung von der (intramolekularen) Weiterleitung chiraler Störungen (z. B. ausgehend von einem stereogenen Zentrum) in dendritischen Molekülen vermitteln kann: Die in ein vorgeordnetes System (Tanzgruppe a) implementierte Störung (in Form eines Überschusses einer der beiden – unter diesen Bedingungen ineinander konvertierbaren – Enantiomere b) wirkt sich wegen des definierten Kontakts (Wechselwirkungen) innerhalb der Tanzgruppe so aus, dass einer der enantiomeren Gäste (grün gekennzeichnet) bevorzugt (selektiv) in Reih und Glied der Majorität aufgenommen („eingebaut“) und damit dem Gleichgewicht b) entzogen wird (schematisch; nach Parquette et al.)

4.2 Chirale Dendrimere

181

Für beide Effekte (Sergeant/Soldaten- und Majoritäts-Regeln) sind dynamische helikale Konformationen der sich bildenden Polymerstränge (mit mobilen helikalen Umkehrpunkten) Voraussetzung. Wir haben obige Erläuterungen etwas ausführlich gestaltet, da solche konformationellen Synchronisationseffekte auch viele ungewöhnliche Eigenschaften von Materialien in der Natur (Proteine) ausmachen, etwa bei nicht-linearen Antworten auf externe Reize (Stimuli). Auf diese Weise können kleine Störungen eines bestimmten Parameters starke Änderungen in der Struktur und Funktion von Proteinen bewirken. Die korrelierten Bewegungen erleichtern auch den allosterischen Transfer lokaler Strukturstörungen durch die gesamte Struktur und haben wichtige Konsequenzen auf die Thermodynamik des Faltens, Komplexbindens und die Katalyse von und mit Proteinen. Auf diese Weise lassen sich entsprechend auch in synthetischen funktionalen Materialien kleine energetische Differenzen verstärken, was für Anwendungszwecke hochattraktiv ist, etwa in der Sensorik: globale Antwort auf ein lokales molekulares Ereignis.

182

4. Dendrimer-Typen und -Synthesen

Literaturverzeichnis und Anmerkungen zu Kapitel 4.2 „Chirale Dendrimere“ Übersichtsartikel sind durch ein vorgestelltes fett gedrucktes „Übersicht(en)“ bzw. „Buch/Bücher“ gekennzeichnet. [1] a) R. G. Denkewalter, J. F. Kolc, W. J. Lukasavage, U. S. Pat. 4 410 688, 1979; 4 289 872, 1981; 4 360 646, 1982. [2] Übersichten: a) H. W. I. Peerlings, E. W. Meijer, Chem. Eur. J. 1997, 3, 1563-1579; b) C. W. Thomas, Y. Tor, Chirality 1998, 10, 53-59; c) D. Seebach, P. B. Rheiner, G. Greiveldinger, T. Butz, H. Sellner, Top. Curr. Chem. (Bandhrsg. F. Vögtle) 1998, 197, 125-164; B. Romagnoli, W. Hayes, J. Mater. Chem. 2002, 12, 767-799. [3] Mit der Klassifizierung chiraler dendritischer Moleküle befasst sich die Übersicht: C. W. Thomas, Y. Tor, Chirality 1998, 10, 53-59. [4] a) J. F. G. A. Jansen, H. W. I. Peerlings, E. M. M. de Brabander-Van den Berg, E. W. Meijer, Angew. Chem. 1995, 107, 1321-1324; Angew. Chem. Int. Ed. 1995, 34, 1206-1209; b) M. Niggemann, H. Ritter, Acta Polymer 1996, 47, 351-356; c) S. J. E. Mulders, A. J. Brouwer, R. M. J. Liskamp, Tetrahedron Lett. 1997, 38, 3085-3088; d) A. J. Brouwer, S. J. E. Mulders, R. M. J. Liskamp, Eur. J. Org. Chem. 2001, 1903-1915. [5] Übersichten: N. Röckendorf, T. K. Lindhorst, Top. Curr. Chem. (Bandhrsg. F. Vögtle, C. Schalley), 2001, 217, 201-236; M. Dubber, T. K. Lindhorst, Chem. Commun. 1998, 1265-1266. [6] R. H. E. Hudson, M. J. Damha, J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 2119-2124; L. J. Twymann, A. E. Beezer, J. C. Mitchell, Tetrahedron Lett. 1994, 15, 4423-4424. [7] a) J. Issberner, M. Böhme, S. Grimme, M. Nieger, W. Paulus, F. Vögtle, Tetrahedron: Asymmetry 1996, 7, 22232232; b) C. Reuter, G. Pawlitzki, U. Wörsdörfer, M. Plevoets, A. Mohry, T. Kubota, Y. Okamoto, F. Vögtle, Eur. J. Org. Chem. 2000, 3059-3067. [8] Alle bekannten Verbindungen dieser Art leiten sich von 1,1’-Binaphthyl-Derivaten ab: a) H. W. Peerlings, E. W. Meijer, Eur. J. Org. Chem. 1998, 63, 573-577; b) S. Yamango, M. Furukawa, A. Azuma, J.-I. Yoshida, Tetrahedron Lett. 1998, 39, 3783-3786; c) C. Rosini, S. Superchi, H. W. I. Peerlings, E. W. Meijer, Eur. J. Org. Chem. 2000, 6171; d) A. Bahr, B. Felber, K. Schneider, F. Diederich, Helv. Chim. Acta 2000, 83, 1346-1376; e) P. Ganghi, B. Huang, J.C. Gallucci, J. R. Parquette, Org. Lett. 2001, 3, 3129-3132; f) P. Rajakumar, K. Ganesan, Tetrahedron: Asymmetry 2005, 16, 2295-2298. [9] a) J. Recker, W. M. Müller, U. Müller, T. Kubota, Y. Okamoto, M. Nieger, F. Vögtle, Chem. Eur. J. 2002, 8, 4434-4442; b) O. Lukin, T. Kubota, Y. Okamoto, A. Kaufmann, F. Vögtle, Chem. Eur. J. 2004, 10, 2804-2810; O. Lukin, F. Vögtle, Angew. Chem. 2005, 117, 2-23; Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 1456-1477. [10] a) A. Ritzen, T. Frejd, Eur. J. Org. Chem. 2000, 65, 3771-3782; b) Bücher: K. Nakanishi, N. Berova, R. W. Woody, Circular Dichroism, VCH, New York 1994; c) P. Schreier, A. Bernreuther, M. Huffer, Analysis of Chiral Organic Molecules, de Gruyter, Berlin 1995. [11] J. R. McElhanon, D. V. McGrath, J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 1647-1656. [12] Begriffe wie makroskopische, nanoskopische und mesoskopische Chiralität sind aus Studien von Mislow [a) A. B. Buda, T. Auf der Heyde, K. Mislow, Angew. Chem. 1992, 104, 1012-1031; Angew. Chem. Int. Ed. 1992, 32, 9891007] und Avnir [b) O. Katzenelson, H. Z. Hel-Or, D. Avnir, Chem. Eur. J. 1996, 2, 174-181] hervorgegangen und dienen der Definition der Chiralität von großen supramolekularen und makromolekularen Systemen (z. B. chirale Cluster, -Aggregate, -Polymere oder -Dendrimere. [13] Übersicht: O. W. Matthews, A. N. Shipway, J. F. Stoddart, Prog. Polym. Sci. 1998, 23, 1-56. [14] a) Q.-S. Hu, V. Pugh, M. Sabat, L. Pu, J. Org. Chem. 1999, 64, 7528-7536; b) D. K. Smith, A. Zingg, F. Diederich, Helv. Chim. Acta 1999, 82, 1225-1241; c) V. Pugh, Q.-S. Hu, L. Pu, Angew. Chem. 2000, 112, 3784-3787; Angew. Chem. Int. Ed. 2000, 39, 3638-3641; d) V. J. Pugh, Q.-S. Hu, X. Zuo, F. D. Lewis, L. Pu, J. Org. Chem. 2001, 66, 6136-6140. [15] a) Übersichten über dendritische Katalysatoren: D. Astruc, F. Chardac, Chem. Rev. 2001, 101, 2991-3023; b) R. Kreiter, A. W. Kleij, R. J. M. Klein Gebbink, G. van Koten, in Top. Curr. Chem. (Bandhrsg. F. Vögtle, C. Schalley)

Literaturverzeichnis und Anmerkungen zu Kapitel 4.2

183

2001, 217, 163-199; c) R. van Heerbeek, P. C. J. Kamer, P.W. N. M. van Leeuwen, J. N. H. Reek, Chem. Rev. 2002, 102, 3717-3756. Spezielle Artikel: a) A. R. Schmitzer, S. Franceschi, E. Perez, I. Rico-Lattes, A. Lattes, L. Thion, M. Erard, C. Vidal, J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 5956-5961; c) G. D. Engel, L. H. Gade, Chem. Eur. J. 2002, 8, 43194329; Y. Ribourdouille, G. D. Engel, M. Richard-Plouet, L. H. Gade, Chem. Commun. 2003, 11, 1228-1229; d) Y.-C. Chen, T.-F. Wu, J.-G. Deng, H. Liu, X. Cui, J. Zhu, Y.-Z. Jiang, M. C. K. Choi, A. S. C. Chan J. Org. Chem. 2002, 67, 5301-5306; e) Y.-C. Chen, T.-F. Wu, L. Jiang, J.-G. Deng, H. Liu, J. Zhu, Y.-Z. Jiang, J. Org. Chem. 2005, 70, 1006-1010; Allgemein: T. Ikariya, K. Murata, R. Notori, Org. Biomol. Chem. 2006, 4, 393-406. [16] a) A. Pessi, E. Bianchi, F. Bonelli, L. Chiappinelli, J. Chem. Soc., Chem. Commun., 1990, 8-9; b) T. D. Pallin, J. P. Tam, Chem. Commun. 1996, 1345-1346; c) M. S. Shchepinov, I. A. Udalova, A. J. Bridgman, E. M. Couthern, Nucleic Acids Res. 1997, 25, 4447-4454; d) D. Ranganathan, S. Kurur, Tetrahedron Lett. 1997, 38, 1265-1268. [17] Peptid-Dendrimere als Protein-Mimetika: a) C. Douat-Casassus, T. Darbre, J.-L. Reymond, J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 7817-7826; b) G. Sanclimens, L. Crespo, E. Giralt, F. Albericio, M. Royo, J. Org. Chem. 2005, 70, 62746281. [18] a) D. Seebach, J.-M. Lapierre, G. Greiveldinger, K. Skobridis, Helv. Chim. Acta 1994, 77, 1673-1688; b) D. Seebach, J.-M. Lapierre, K. Skobridis, G. Greiveldinger, Angew. Chem. 1994, 106, 457-458; Angew. Chem. Int. Ed. 1994, 33, 440-442; c) P. K. Murer, D. Seebach, Angew. Chem. 1995, 107, 2297-2300; Angew. Chem., Int. Ed. 1995, 34, 2116-2119. [19] Der Begriff Dendrophane wurde von Diederich geprägt: a) S. Mattei, P. Seiler, F. Diederich, Helv. Chim. Acta 1995, 78, 1904-1912; b) B. Kenda, F. Diederich, Angew. Chem. 1998, 110, 3357-3361; Angew. Chem. Int. Ed.. 1998, 37, 3154-3158. [20] K. Mislow, P. Bickart, Isr. J. Chem. 1977, 15, 1-6. [21] H. W. I. Peerlings, D. C. Trimbach, E. W. Meijer, Chem. Commun. 1998, 497-498. [22] U. Hahn, A. Kaufmann, M. Nieger, O. Julinek, M. Urbanova, F. Vögtle, Eur. J. Org. Chem. 2006,1237-1244. [23] Übersicht: Top. Curr. Chem. (Bandhrsg. K. Sakai, N. Hirayama, R. Tamura) 2007, Band 296. [24] K. Portner, F. Vögtle, M. Nieger, Synlett 2004, 1167-1170. [25] L.-Z. Gong, Q.-S. Hu, L. Pu, J. Org. Chem. 2001, 66, 2358-2367. [26] H.-T. Chang, C.-T. Chen, T. Kondo, G. Siuzdak, K. B. Sharpless, Angew. Chem. 1996, 108, 202-206; Angew. Chem. Int. Ed. 1996, 35, 182-186. [27] Übersicht: H.-F. Chow, C. C. Mak, Pure Appl. Chem. 1997, 69, 483-488. [28] C.-O. Turrin, J. Chiffre, D. de Montauzon, G. Balavoine, E. Manoury, A.-M. Caminade, J. P. Majoral, Organometallics 2002, 21, 1891-1897. [29] G. R. Newkome, X. Lin, C. D. Weis, Tetrahedron: Asymmetry, 1991, 2, 957-960. [30] a) J. F. G. A. Jansen, H. W. I. Peerlings, E. M. M. de Brabander-van den Berg, E. W. Meijer, Angew. Chem. 1995, 107, 1321-1324; Angew. Chem. Int. Ed. 1995, 34, 1206-1209; b) J. F. G. A. Jansen, E. M. M. de Brabander-van den Berg, E. W. Meijer, Science 1994, 266, 1226-1229. [31] J. F. G. A. Jansen, E. M. M. de Brabander-van den Berg, E. W. Meijer, Recl. Trav. Chim. Pays-Bas 1995, 114, 225-230. [32] a) H.-F. Chow, C. C. Mak, Tetrahedron Lett. 1996, 37, 5935-5938; b) M. L. Lartigue, A. M. Caminade, J. P. Majoral, Tetrahedron: Asymmetry 1997, 8, 2697-2708; c) C. O. Turrin, J. Chiffre, J. C. Daran, D. deMountauzon, A. M. Caminade, E. Manoury, G. Balavoine, J. P. Majoral, Tetrahedron 2001, 57, 2521-2536; d) J. Issberner, M. Böhme, S. Grimme, M. Nieger, W. Paulus, F. Vögtle, Tetrahedron: Asymmetry 1996, 7, 2223-2232. [33] a) K. Aoi, K. Itoh, M. Okada, Macromolecules 1995, 28, 5391-5393; b) T. K. Lindhorst, C. Kieburg, Angew. Chem. 1996, 108, 2083-2086; Angew. Chem. Int. Ed. 1996, 35, 1953-1956. [34] G. R. Newkome, Z.-Q. Yao, G. R. Baker, V. K. Gupta, J. Org. Chem. 1985, 50, 2003-2004. [35] P. R. Ashton, S. E. Boyed, C. L. Brown, S. A. Nepogodiev, E. W. Meijer, H. W. I. Peerlings, J. F. Stoddart, Chem. Eur. J. 1997, 3, 974-984. [36] M. S. T. H. Sanders-Hovens, J. F. G. A. Jansen, J. A. J. M. Vakemans, E. W. Meijer, Polym. Mater. Sci. Eng. 1995, 73, 338-339.

184

4. Dendrimer-Typen und -Synthesen

[37] Übersichten: a) J. W. Lockman, N. M. Paul, J. R. Parquette, Progr. Polym. Sci. 2005, 30, 423-452; dort weitere Hinweise; b) M. Crego-Calama, D. N. Reinhoudt (Bandhrsg.), Supramolecular Chirality, Top. Curr. Chem. 2006, 265; c) s. auch: E. Francotte, W. Lindner (Hrsg.), Chirality in Drug Research, in Methods and Principles in Medicinal Chemistry, Vol. 33, VCH-Wiley, Weinheim/New York 2007; d) V. V. Borovkov, Y. Inoue, Top. Curr. Chem. (Bandhrsg. M. Crego-Calama, D. N. Reinhoudt) 2006, 265, 89-146. [38] S. Weigelt, C. Busse, L. Petersen, E. Rauls, B. Hammer, K. V. Gothelf, F. Besenbacher, T. R. Linderoth, Nature Materials 2006, 5, 11; Übersicht: K.-H. Ernst, Top. Curr. Chem. (Bandhrsg. M. Crego-Calama, D. N. Reinhoudt) 2006, 265, 209-252.

5. Photophysikalische Eigenschaften dendritischer Moleküle Dendrimere finden aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften, sei es wegen des Viskositätsverhaltens, der photoinduzierten Energie- und Elektronenübertragung (-transfer) oder Licht-sammelnder Effekte[1] reges Interesse. Besonders die photophysikalischen Eigenschaften sind wegen des Anreizes, etwa die Lumineszenz durch Anheften vieler gleichartiger – oder verschiedener, miteinander wechselwirkender – lichtaktiver Molekülbausteine (Chromophore, Fluorophore, Luminophore) zu verstärken, intensiv bearbeitet worden. Sie sollen daher im folgenden Abschnitt – aus Sicht der Grundlagenforschung – allgemeiner erläutert werden, während andere, vor allem Anwendungs-bezogene Eigenschaften, im Kapitel 8 zusammengefasst sind.

5.1 Lumineszenz und Energietransfer 5.1.1 Lumineszenz Lumineszenz wird als Emission von Licht im sichtbaren, UV- und IR- Spektralbereich von Materialien nach Energiezufuhr definiert.[2] Die Lichtquanten-Abgabe erfolgt bei Molekülen aus einem (photo-)angeregten Zustand via Übergang eines Elektrons in einen energetisch tieferliegenden Zustand. Je nach Art der Erzeugung des energetischen Anregungszustands können Photolumineszenz, Chemolumineszenz, Radiolumineszenz und Thermolumineszenz unterschieden werden (Tabelle 5-1). Im Bereich der Photolumineszenz wird abhängig vom Zeitraum zwischen Anregung und Emission in Fluoreszenz und Phosphoreszenz unterschieden. Tabelle 5-1 Lumineszenztypen und ihre Anregungsart

Lumineszenztyp

Anregungsart

Photolumineszenz

Lichtabsorption

Chemolumineszenz

Chemische Reaktion

Radiolumineszenz

Kernstrahlung

Thermolumineszenz

thermisch aktivierte Ionenrekombination

Elektrolumineszenz

elektrisches Feld

186

5. Photophysikalische Eigenschaften dendritischer Moleküle

Fluoreszenz: Das Elektron fällt aus dem angeregten Zustand (Lebensdauer ca. 10-9s) in den ursprünglichen (Grundzustand) zurück (Bild 5-1a). Die Emission erfolgt spontan nach der Absorption – der Zeitraum zwischen Anregung und Emission ist im Falle der Fluoreszenz verschwindend gering – mit größerer Wellenlänge. Absorptions- und Fluoreszenz-Spektrum sind oft annähernd spiegelbildlich (Bild 5-1b). Der Wellenlängenunterschied zwischen Absorptions- und Emissions-Maxima wird auch als „Stokes-Verschiebung“ (Stokes-shift) bezeichnet. 3 2 1 0

hQ

Singlett Grundzustand

Emission

angeregter S1 Singlettzustand

Absorption

a)

hQ Fluoreszenz

3 2 1 0

S0

0-2Übergang

0-3Übergang

0-1Übergang

0-2Übergang

0-1Übergang

0-0Übergang

0-3Übergang

Fluoreszenz

Absorption

b)

Wellenlänge

Bild 5-1 Absorption und Emission (Fluoreszenz). a) Übersicht über elektronische und vibronische Energieniveaux (schematisch). Das Absorptionsspektrum zeigt eine Schwingungsstruktur, die für den Photo-angeregten Zustand (S1) charakteristisch ist. b) Bandenspektren mit StokesVerschiebung (schematisch). Das Fluoreszenz-Spektrum erscheint annähernd als Spiegelbild des Absorptionsspektrums. Die Schwingungsstruktur des Fluoreszenz-Spektrums ist für den Grundzustand (S0) charakteristisch; es ist zu längeren Wellen verschoben. Lediglich die beiden 0-0-Übergänge liegen an derselben Stelle. Die Stokes-Verschiebung macht Aussagen über (Absorptions/Emissions-)Verschiebungen anderer Übergänge.

5.1 Lumineszenz und Energietransfer

187

Die Emission von Fluoreszenz-Lichtquanten kann durch Löschung der Fluoreszenz (QuenchProzesse) ausbleiben. In solchen Fällen wird Anregungsenergie x

durch strahlungslose Desaktivierung, indem Moleküle mit anderen Molekülen zusammenstoßen, verloren gehen, oder

x

in Form von Phosphoreszenz-Lichtquanten abgestrahlt.

Die Fluoreszenz-Spektroskopie wird oft zur Detektion von Atomen und Molekülen eingesetzt. Als Anregungsquelle dienen zunehmend Laser (LIF: Laser-induzierte Fluoreszenz). Die Fluoreszenz-Ausbeute beschreibt das Verhältnis zwischen Anzahl von emittierten Photonen im angeregten Singlett-Zustand (S1) zur Anzahl von absorbierten Photonen (Werte zwischen 0 und 1). Phosphoreszenz: Bei der Phosphoreszenz fällt das Elektron über Interkombinations-Vorgänge mit Spinumkehr (Inter-System-Crossing) aus dem angeregten Singlett(S1)-Zustand in den niedrigsten Triplett-Zustand (T1; Lebensdauer 10-6-10-3s). Das Elektron verweilt hier zunächst, weil der Übergang in den Singlett-Zustand Symmetrie-verboten ist, um dann in den Grundzustand zurückzufallen (Bild 5-2). Die Dauer zwischen Anregung und Emission ist daher deutlich größer als bei der Fluoreszenz.

S2 angeregter SinglettZustand

Innere Umwandlung

S1

Intersystem-Übergang (tiefster

T1 Triplett angeregter Zustand)

hQ

Absorption

hQ Phosphoreszenz

Singlett Grund- S0 zustand

Bild 5-2 Phosphoreszenz (schematisch)

Als Phosphoreszenz-Ausbeute ist das Verhältnis zwischen Anzahl von emittierten Photonen im Triplett-Zustand und absorbierten Photonen (Werte zwischen 0 und 1) definiert. Excimer ist die Abkürzung für den englischen Begriff „excited dimer“, also angeregtes Dimer. Es handelt sich um eine kurzlebige Verbindung zweier Moleküle (oder auch Atome), die nur im angeregten Zustand existiert. Im Grundzustand zerfällt sie in die Komponenten, die sich auch abstoßen können. In einem Excimer-Molekül müssen alle Komponenten identisch sein. Anwendung finden derartige Moleküle in der Lasertechnik.

188

5. Photophysikalische Eigenschaften dendritischer Moleküle

Exciplex ist eine Wortkombination aus dem englischen excited und complex. Auch Exciplexe sind im Grundzustand nicht existent. Im Gegensatz zum Excimer können die Komponenten des _ kurzlebigen _ Exciplexes Verbindungen aus Molekülen oder Atomen unterschiedlicher Natur sein.

5.1.2 Energietransfer 5.1.2.1 Dexter-Mechanismus: Energietransfer über Strahlungs-Emission Der Dexter-Mechanismus beschreibt einen Elektronenaustausch vom angeregten Zustand des Donors zum angeregten Zustand des Acceptors, begleitet von einem simultanen Austausch eines Elektrons des Grundzustands vom Acceptor zum Donor (Bild 5-3). Dieser Elektronenaustausch bedingt eine Überlappung der Donor- und Acceptor-Orbitale, jedoch ist keine spektrale Überlappung erforderlich. Es liegt eine kurzräumige Wechselwirkung (über weniger als 10 Å Abstand) vor, die exponentiell mit der Distanz abnimmt. Donor *

Acceptor

Donor

Acceptor *

angeregter Zustand

Energietransfer

GrundZustand

Bild 5-3 Energietransfer nach dem Dexter-Mechanismus (schematisch)

5.1.2.2 Förster-Mechanismus: Energietransfer über Dipol-Dipol-Wechselwirkungen Ein strahlungsloser Energietransfer allein durch Dipol-Dipol-Wechselwirkungen – ohne Beanspruchung eines Elektronenaustauschs – vom Energie-Donor auf einen -Acceptor (Bild 54) wird mit dem Förster-Mechanismus beschrieben.

5.1 Lumineszenz und Energietransfer Donor *

189

Acceptor

Donor

Acceptor *

angeregter Zustand

Energietransfer

GrundZustand

Bild 5-4 Energietransfer nach dem Förster-Mechanismus (schematisch)

Eine wesentliche Bedingung für den Energietransfer über diesen Weg ist eine Überlappung des Fluoreszenz-Emissionsspektrums des Donors mit dem Absorptionsspektrum des Acceptors. Ein geringer Abstand (weniger als 10 nm) zwischen Donor und Acceptor ist gleichfalls wichtig, weil nach Förster die Effizienz des Energietransfers mit der inversen sechsten Potenz der Distanz zwischen Donor und Acceptor abnimmt:

1 E=

1+

r R0

6

(5-1) r = Abstand zwischen Donor und Acceptor R0 = Förster-Radius

Die Chromophore können hier weiter von einander entfernt liegen (10-100Å; weiträumige Wechselwirkungen), da dieser Mechanismus keine Überlappung der Orbitale voraussetzt. Der Förster-Radius bezeichnet den Abstand zwischen Donor und Acceptor, bei dem die Effizienz des Energietransfers genau 50% beträgt. Die angeregten Donor-Moleküle werden dabei zur Hälfte durch Fluoreszenzresonanz-Energietransfer desaktiviert, die anderen 50% durch Fluoreszenz oder Phosphoreszenz.

5.1.2.3 Beispiele aus dem Bereich dendritischer Moleküle Die oben allgemein beschriebenen photophysikalischen Effekte und Mechanismen seien im folgenden mit Befunden und Interpretationen aus dem Dendrimer-Bereich illustriert. Da einfache Lumineszenzeffekte z. T. auch an anderer Stelle dieses Buches bei den Synthesen (Kapitel 2) und den einzelnen Verbindungstypen (Kapitel 4) erwähnt werden und zudem im Abschnitt 5.2 in komplexere Vorgänge einfließen, seien nur einige wenige charakteristische Beispiele zur Fluoreszenz und Phosphoreszenz von Dendrimeren aufgezeigt: Hier können wegen der Nachbarschaft vieler Gruppen im Molekül komplexe Vorgänge ablaufen, die

190

5. Photophysikalische Eigenschaften dendritischer Moleküle

manchmal genaue Rückschlüsse erschweren, manchmal aber auch für Anwendungszwecke nützlich und optimierbar sind. Grundsätzlich können Dendrimere und Dendrons so „designt“ werden, dass lumineszente Bauelemente (Fluorophore, Luminophore) im Dendrimer selbst, in entsprechenden Wechselwirkungspartnern (Gästen) oder in beiden vorhanden und – während der Interaktion – zu beobachten sind. Damit wurden supramolekulare (Wirt/Gast-)Wechselwirkungen thermodynamisch und kinetisch analysiert, Sensoreffekte entschlüsselt und diagnostische Anwendungen angestrebt (vgl. hierzu auch Lit. [3]). a) Fluoreszentes Dendrimer Das in Bild 5-5 gezeigte Dendrimer vom gemischten POPAM/Fréchet-Typ trägt – formal – mehrere Fluorophor-Typen in drei „Schalen“: An der Peripherie Naphthyl-Einheiten, weiter innen zwei Schichten mit Dimethoxybenzen-Charakter und schließlich die stark fluoreszierenden Dansyl-Gruppen – insgesamt 64 luminophore Molekülteile. Von außen kommende UV-Strahlung wechselwirkt zunächst mit den Naphthyl-Resten, welche die Energie via Energietransfer (ET, s.o.) an die intramolekular benachbarten Dansylgruppen – deren elektronische Energie-Niveaus tiefer liegen (s. Bild 5-5) – weitergeben. Schließlich wird vom Dansyl-System sichtbares Licht (O 514 nm) abgestrahlt.

Bild 5-5 Eingestrahlte UV-Lichtenergie wird von den 32 peripheren Naphthyl-Chromophoren an die Dansyl-Einheiten weitergeleitet (Energietransfer) und als sichtbares Licht emittiert (schematisch; nach Balzani, Vögtle et al.)

5.1 Lumineszenz und Energietransfer

191

Fügt man derartigen fluoreszenten Dendrimeren nicht-fluoreszierende Gastverbindungen zu, die mit den Heteroatomen des Dendrimers wechselwirken – im einfachsten Fall Cu2+- oder Co2+-Ionen – so wird die Fluoreszenz (teilweise) gelöscht (gequencht). Ein konkretes Beispiel hierfür findet sich im Kapitel 6.2.3.3. b) Fluoreszente Gäste (im nicht-fluoreszenten Dendrimer) Bild 5-6 zeigt den oktaedrischen Komplex dreier nicht-lumineszenter, doppelt Dendronsubstituierter Bipyridine mit dem photoaktiven Ruthenium-Kation.[4] Die gestrichelten Ru2+N-Bindungen sind so stabil, dass sogar die peripheren Carboxyl-Gruppen beispielsweise in das Säurechlorid umgewandelt und anschließend zum Carbonsäureamid umgesetzt werden können, ohne dass der Komplex Schaden nimmt. Balzani et al. zeigten, dass die Lebensdauer des photoangeregten Zustands und damit die Photostabilität bei den – wegen der zahlreichen Ethergruppen wasserlöslichen – dendritischen Komplexen höher liegt als bei der unsubstituierten Referenzverbindung (Tris-bipyridin-Ruthenium-Komplex). Außerdem nimmt sie mit der Generationszahl deutlich zu – und zwar sowohl bei Gegenwart als auch bei Abwesenheit von Luftsauerstoff: „positiver Dendritischer Effekt“. Diese Eigenschaft ist bei Tris-BipyridinRuthenium-Komplexen äußerst erwünscht, da derartige Komplexe bei der Photospaltung von Wasser eingesetzt werden (Wasserstoff-Technologie).

O OMe

OMeO

MeO O

OMe O

O

O

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MeO OMe MeO

O

O O

O

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O

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O

O

O

O

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MeO MeO

O

O

O O OMe

O O

OMeO

O OMe

Verkürzte Lebensdauer durch Quenchen mit O 2 mit O 2 [ns]

OMe O OMe

O O

O

O

OMe

O

O

NH

NH O

O

O

MeO

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O

O

O MeO

O

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OMe O O

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OMe

O N H

O

N

O

O

O

O

O

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O

O

MeO O

O

O

N H

O

OMe

Ru 2+

O

O O

OMe O

O NH

MeO

MeO

O

O

O OMe

OMe

Ru[(bipy)3] 2+

172

1. Generation

760

2. Generation

1010

ohne O 2 [ns] 990

1740

OMe

Bild 5-6 Lebensdauer des photoangeregten Zustands dendritischer Ru2+-Bipyiridin-Komplexe – in Gegenwart und Abwesenheit von Luftsauerstoff (nach Balzani, De Cola, Vögtle et al.), im Vergleich zum unsubstituierten Ruthenium-tris-bipy

192

5. Photophysikalische Eigenschaften dendritischer Moleküle

In Bild 5-7 sind die Lumineszenz-Lebensdauern verschiedener homo- und heteroleptischer [Ru(bipy)3]2+-Komplexe mit acyclischen und macrocyclischen Bipyridinen zusammen mit dem gerade vorgestellten dendritischen verglichen.[4] Auch hier zeigt sich, dass die Stabilität gegen Photooxidation wiederum bei den sterisch stärker abgeschirmten homoleptischen Komplexen höher ist als bei den weniger stark abschirmenden heteroleptischen, die jeweils noch einen unsubstituierten Bipyridin-Liganden enthalten. Die Variante mit „dendritischem Schutzschild“ ist jedoch der „Champion“ (Dendritischer Effekt).

Bild 5-7

Lumineszenz homo- und heteroleptischer [Ru(bipy)3]2+-Komplexe in Abhängigkeit von der Anzahl der Sauerstoffatome im Molekül – und damit von der sterischen Abschirmung des Zentral-Ions (nach Balzani, Vögtle et al.)

c) Fluoreszentes Dendrimer und fluoreszente Gäste Dieser Fall ist in Bild 5-8 illustriert. Eingesetzt wurde das bereits in Bild 5-5 vorgestellte fluoreszente Dendrimer. Fügt man zu diesem den fluoreszierenden Gast Eosin und bestrahlt mit UV-Licht, so sammelt dieser entsprechend seiner tieferliegenden Energieniveaux die Lichtenergie aller 64 chromophoren Gruppen (light harvesting, s. Abschnitt 5.2). Als Konsequenz wird sichtbares Licht der (Fluoreszenz-)Wellenlänge des Eosins (O 555nm) abgestrahlt.[5] Solche Effekte sind im Hinblick auf eine zukünftig möglich erscheinende künstliche Nachahmung photosynthetischer Grundprozesse von Interesse (Bild 5-9).[6]

5.1 Lumineszenz und Energietransfer

193

Bild 5-8 Löschen der Fluoreszenz des Dendrimer-Wirts bei Gegenwart von Eosin (als Gast) durch Energietransfer ausgehend von den photoaktiven Dansylresten. Im Gastmolekül Eosin wird Lichtenergie aller 64 chromophoren Gruppen (Naphthalen, Dialkoxyphenyl, Dansyl) gesammelt (schematisch; nach Vögtle, Balzani, Ceroni, et al.)

Bild 5-9 a) Lichtenergie wird mithilfe des Chlorophylls gesammelt und dient Pflanzen zur Photosynthese; b) Beispiel eines einfachen dendritischen Lichtsammel-Systems: Nanometer-skaliger Komplex aus photoaktiven Dendrons und photoaktivem Metall-Ion. Das von den NaphthylResten absorbierte UV-Licht (O 270nm) wird auf das Ruthenium übertragen, das sichtbares Licht der Wellenlänge 620 nm abstrahlt (nach Balzani, De Cola, Vögtle et al.)

194

5. Photophysikalische Eigenschaften dendritischer Moleküle

Im Kapitel 3.2.1 (Bild 3-14) ist ein weiteres Beispiel für diesen Wechselwirkungs-Typ aufgeführt.

5.2 Antennen-Effekt und Photoisomerisierung von Dendrimeren 5.2.1 Antennen-Effekt Die Möglichkeit, viele funktionelle Gruppen um einen Kern herum anordnen zu können, eröffnet einen gezielten Aufbau dendritischer Lichtsammel-Systeme (light harvesting), der zum Beispiel eine Energieübertragung (energy transfer) zwischen Peripherie und Kern ermöglicht. Licht-sammelnde Antennensysteme enthalten generell eine Vielzahl von miteinander wechselwirkenden lichtabsorbierenden Chromophor-Molekülen, die – als Donoren – die angeregte Energie zu einer Acceptor-Einheit im Dendrimer-Inneren leiten (Bild 5-5)[3,7]. Wechselwirken die Chromophore nicht miteinander, wird die gesammelte Energie zerstreut und die angeregten Zustände klingen ab, ohne dass ein Energietransfer stattfindet. Das Prinzip des Antennen-Effekts basiert auf den weiträumigen Wechselwirkungen (s. Abschnitt 5.11) zwischen Peripherie und Kerneinheit. Dadurch ist es möglich, den Kern zu beeinflussen, was ohne diese Wechselwirkungen auf die Peripherie beschränkt wäre. Durch gezielte Endgruppen-Funktionalisierung eines Dendrimers mit entsprechenden miteinander wechselwirkenden Chromophor-Einheiten – um einen großen Absorptionsquerschnitt zu erreichen – konnten dendritische Licht-sammelnde Systeme (Antennen)[8] aufgebaut werden. Über den konvergenten Zugang wurden Farbstoff-tragende Dendrimere synthetisiert (Bild 510), in denen das einfallende Licht über die Chromophore an der Peripherie auf den fluoreszenten Kern gelenkt wird. Der Energietransfer erfolgt nicht über – mehrstufige – Hüpf-Prozesse (hopping), sondern die Energie wird gezielt auf den fokalen Punkt, den Kern übertragen. Hierzu wurden Cumarin 2 – vielfach – als terminaler Donor-Chromophor und Cumarin 343 als Acceptor-Farbstoff im Kern des dendritischen Moleküls eingesetzt.[9] Die Energieübertragung läuft wahrscheinlich über Dipol/Dipol-Wechselwirkungen (Förster-Mechanismus, Abschnitt 5.1) ab, denn das gewählte chromophore System verfügt über starke Dipolmomente. Eine Energieübertragung über das (kovalente) Dendrimer-Gerüst kann anhand der Absorptionsmaxima ausgeschlossen werden. An solchen Dendrimeren – bis zur vierten Generation – wurde eine hohe Effizienz des Energietransfers beobachtet.

5.2 Antennen-Effekt und Photoisomerisierung von Dendrimeren

O

O

O

O

O

Cumarin 2

O

N

O

O

O

O

N

N

O

O

O

N

N

O

O

O

N

N

195

O

N

O

O

O

O O

O

O

O

O

N

N

N

O

O

O

O O O

O

O

O

O

O

N

N

O

N

O

O

O

O

Cumarin 343

O

O

N

O

O

O

O

N

N

O

O

Bild 5-10 Licht-sammelnde dendritische Antenne (nach Fréchet et al.)

Fullerene bilden aufgrund ihrer kugeligen Molekülgestalt attraktive funktionale Kerneinheiten für Licht-sammelnde dendritische Systeme. An Fulleren-Dendrimeren des in Bild 5-11 gezeigten Typs wird bei Anregung der endständigen Oligophenylenvinylen-Gruppen am Absorptions-Maximum deren Fluoreszenz gelöscht. RO RO Me N

RO

OR

RO

OR

G0

RO

OR RO

RO

RO RO

Me N

Me N RO RO RO

RO RO

OR

R= C12H25

G1

G2 OR RO

OR

Bild 5-11 Fulleren-Dendrimere der Generationen 0 bis 2 (nach Nierengarten et al.)

196

5. Photophysikalische Eigenschaften dendritischer Moleküle

Dies ist ein Hinweis auf einen Singlett-Singlett-Energietransfer der OligophenylenvinylenGruppen auf den Fulleren-Kern. Bei 394 nm – entsprechend dem OligophenylenvinylenAbsorptionsmaximum – steigt die molare Absorption der Fulleren-Dendrimere mit steigendem Generationsgrad (Gn) an. Mit Zunahme der Polylen-Gruppen treten die Lichtsammelnden Eigenschaften stärker hervor.[10] Entsprechende Untersuchungen der Energietransfer-Dynamik von der Peripherie zum Kern an zwei ungleichen Licht-sammelnden Dendrimer-Typen unterschiedlichen Generationsgrads zeigten, dass Wechselwirkungen über kleinere Distanzen, bedingt durch ein Überlappen der Wellenfunktionen zwischen Peripherie und Kern, entscheidend sind. Die hohe Geschwindigkeit des Energietransfers wird mit der raschen Relaxation vom Frank-Condon-Zustand in die Peripherie begründet.[11] Über einen konvergenten Weg konnten Moore et al. auf Arylacetylen-Einheiten basierende Dendrons der ersten bis sechsten Generation aufbauen. Diese wurden am fokalen Punkt mit einer – fluoreszenten – Perylen-Einheit funktionalisiert und hinsichtlich ihrer FluoreszenzEigenschaften untersucht.[12, 13] Mit zunehmendem Generationsgrad wurde ein Ansteigen der Fluoreszenz-Intensität beobachtet, was in einem wachsenden molaren Extinktions-Koeffizienten begründet ist (positiver Dendritischer Effekt). Auch hier ist demnach ein Lichtsammel-Effekt (light harvesting-effect) zu beobachten. Die Effizienz des Energietransfers im dendritischen Molekül nimmt hingegen von den Arylacetylen-Einheiten zur Perylengruppe – als Acceptor – mit zunehmender Dendrimer-Generation ab (negativer Dendritischer Effekt).[13] Eine Beschleunigung des Energietransfers von der Peripherie zum fokalen Punkt entlang eines Gradienten wurde durch Verlängerung des Elektronensystems mit zusätzlichen Tolan-Einheiten (Bild 5-12) erzielt, wobei mit zunehmendem Verzweigungsgrad die Zahl der Arylacetylen-Spacer von außen nach innen um je eins erhöht wird. Das Elektron fällt beim Passieren der einzelnen Verzweigungseinheiten im Molekül quasi auf immer tiefer liegende Energienivaux. Die Anregung erreicht lediglich die Chromophore im Gerüst, die dann im fokalen Punkt auf das Perylen übertragen wird und sich in Form von Fluoreszenz zeigt. Dieses dendritische System wirkt daher als eine Art „Energietrichter“ (energy funnel).[14]

5.2 Antennen-Effekt und Photoisomerisierung von Dendrimeren

197

^ =

Bild 5-12 Dendritischer Energietrichter (nach Moore et al.)

Vögtle et al.[4] synthetisierten die ersten dendritisch substituierten 2,2´-Bipyridine, die ebenfalls einen Antennen-Effekt (light harvesting) mit Verstärkung der Lumineszenz aufweisen. Ausgehend von diesen Liganden wurden die entsprechenden dendritischen Tris(bipyridin)Ruthenium(II)-Komplexe präpariert (Bild 5-13).[15] Der von den äußeren NaphthalenEinheiten in 1 ausgeübte Antennen-Effekt äußert sich in verstärkter Lumineszenz, was hier auf den effizienten Energietransfer von den Licht-absorbierenden Naphthalen-Gruppen zum Licht-emittierenden Ruthenium-Kation zurückzuführen ist.[16] Quantenausbeute und Lebensdauer des photoangeregten Zustands nehmen bei Ausschluss, aber auch – weniger ausgeprägt – in Gegenwart von molekularem Sauerstoff mit steigender dendritischer Generationszahl zu (vgl. Abschnitt 5.1.2.3 b).

198

5. Photophysikalische Eigenschaften dendritischer Moleküle

Bild 5-13 Dendritische Tris(bipyridin)-Ruthenium(II)-Komplexe (nach Balzani, De Cola, Vögtle et al.)

Dieser erwünschte Stabilisierungseffekt – auch hinsichtlich einer Photooxidation – des angeregten Zustands wird durch die sterisch abschirmende Dendrimer-Hülle verursacht, die das „luminophore“ Ruthenium-Bipyridin-Zentrum vor Löschmolekülen (Quenchern, wie beispielsweise Sauerstoffmolekülen) schützt. Die für Anwendungszwecke gleichfalls nützliche Wasserlöslichkeit wurde mit der Synthese des dendritischen Tris(bipyridin)-RutheniumKomplexes 2 mit Polyetheramid-Hülle erreicht (vgl. Bild 5-6). Dieses Metallo-Dendrimer hat im Vergleich zu den nicht dendritischen Komplexen den Vorteil, dass die Lebensdauer des photoangeregten Zustands, verglichen mit der nicht dendritischen Referenzsubstanz, um das 50-fache gesteigert werden konnte. Der Abschirmungseffekt ist demzufolge nicht auf Dendrons des Fréchet-Typs beschränkt. Auch die dendritische Polyetheramid-Hülle, die divergent nach der Methodik von Newkome et al. synthetisiert wurde (Generationen 1 bis 3), bewirkt eine Verminderung der Fluoreszenz-Löschung durch molekularen Sauerstoff mit zunehmender Größe der dendritischen Reste.[4] Balzani, De Cola und Vögtle et al. untersuchten auch den Einfluss weiterer dendritischer Substituenten auf photo- und elektroaktive Kerneinheiten dieses supramolekular aufgebauten und weiterer Dendrimer-Typen.[17]

5.2 Antennen-Effekt und Photoisomerisierung von Dendrimeren

199

Das Design von dendritischen Multiporphyrin-Systemen[18] ermöglicht eine Energieübertragung über größere Entfernungen. Die Außenschale des in Bild 5-14 gezeigten Dendrimers ist aus acht Porphyrin-Zink-Komplexen als Energie-Donoreinheiten aufgebaut. Werden die Einheiten der Außenhülle angeregt, so verursacht dies eine Fluoreszenz-Emission des Metallfreien Porphyrinkerns aufgrund eines Energietransfers von der Peripherie zum EnergieAcceptor.[19]

R

R N N

R

R

R

N

Zn

N

N

Zn

N

R

N

N R

R

N

N

N

N

R

R

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NH N

O R

R

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O

R

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R

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R

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Zn N

N

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O O

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Zn N

R

R

R

R

N

N R

R R R

N

N R

N N

R

R

N Zn

N

R

R

N

R

N

Zn N R

Bild 5-14 Dendritisches Multiporphyrin-System (nach Aida et al.)

Aida et al. beobachteten auch eine elektrostatische Assoziation zwischen negativ geladenen Polycarboxylat-funktionalisierten (als Donor) und positiv geladenen Ammonium-terminierten Porphyrin-Dendrimeren (als Acceptor) dritter Generation in protischen Lösungsmitteln. Abhängig vom molaren Verhältnis wurden unterschiedlich organisierte Anordnungen von gegensätzlich geladenen dendritischen Elektrolyten gefunden (Bild 5-15).[20] In den resultierenden nanometergroßen Assoziaten ist bei photochemischer Anregung ein intermolekularer Singlett-Energietransfer von einem Dendrimer auf ein benachbartes möglich. Dieser Prozess ist abhängig von der Feinstruktur (Topographie) der Dendrimer-Cluster, die wiederum vom Molverhältnis bestimmt wird.

200

5. Photophysikalische Eigenschaften dendritischer Moleküle Überschuss

AA unendliches Aggregat A ([A]:[D] = 1:1) Überschuss

= negativ geladener dendritischer Elektrolyt = positiv geladener dendritscher Elektrolyt

Bild 5-15 Elektrostatische Wechselwirkung von gegensätzlich geladenen dendritischen Elektrolyten (A: Acceptor; D: Donor; schematisch; nach Aida et al.)

Das Gerüst der beiden verwendeten Porphyrin-Dendrimere ist identisch (Bild 5-16), sie unterscheiden sich lediglich in der Funktionalität ihrer Peripherie. Das rot schematisierte Dendrimer entspricht diesem Grundgerüst beispielsweise mit R = CONH(CH2)2N+ Me3, entsprechend trägt das grün symbolisierte Dendrimer z. B. den Rest = COOǦ K+. R

RR

R

R

R

RR

R R

R

R

R R

R

R

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R

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R

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R O

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R R

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OO

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O O O

O O

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OO O O

O

O O

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OO O O O

R

O R R

N Zn2+ N O

R

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O O OO

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O O O O

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R R

R R R

R

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R R

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R

R=H

R

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O OO O

R

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O O

O O O

O R

O

O

O R

O

O O

O O R

O

O

O O

O O

R R

O

N

R R

Bild 5-16 Ionische Porphyrin-Dendrimere (nach Fréchet und Aida et al.)

R = COO K R = CONH(CH2)2N Me3Cl

5.2 Antennen-Effekt und Photoisomerisierung von Dendrimeren

201

Dendrimere mit Cyclam-Kerneinheit (1,4,8,11-Tetraazacyclotetradecan) und Fréchet-artigen Dendrons, dekoriert mit acht oder 16 Naphthyl-Einheiten (Bild 5-17), wurden auf Veränderungen ihrer Lumineszenz- und Absorptionsspektren während der Protonierung untersucht.[21] Die Kerneinheit selbst ist photoinaktiv, kann jedoch mit photoaktiven Gruppen in den dendritischen Verzweigungen wechselwirken, was die Emissions-Eigenschaften der Chromophor-Einheiten beeinflusst, wodurch neue Emissonsbanden entstehen können. In Acetonitril/Dichlormethan-Lösung zeigt dieser Dendrimer-Typ drei Arten von Emissionsbanden, die ihre Ursache in den im Naphthyl-lokalisierten angeregten Zustand, einem Naphthyl-Excimer und einem Naphthyl-/Amin-Exciplex haben. Titrationen mit Trifluoressigsäure ergaben, dass der Cyclam-Kern trotz seiner formal vier Stickstoffatome successive nur zwei Protonierungs-Stufen durchläuft, die die Lumineszenz-Eigenschaften deutlich beeinflussen.

O

O

O

O

O

O O

O

O

O O

O N

N

N

N

O

O

O O

O

O

O

O O

O O

O H 3C N H 3C

Bild 5-17 Naphthyl-dekoriertes Dendrimer mit Cyclam-Kerneinheit (nach Balzani, Vögtle et al.); Vergleichssubstanz ohne dendritische Verzweigung eingerahmt

202

5. Photophysikalische Eigenschaften dendritischer Moleküle

a)

b)

Excimer * Ar-Ar -N lokal angeregt

Ar-* Ar-N

Exciplex

* Ar-N Ar-

h Q''

hQ '' + H+

hQ h Q'

Ar- Ar-N -H

+

Ar- Ar-NH +

hQ h Q'

* Ar-Ar -NH + Excimer

* Ar-NH + lokal Arangeregt X

hQ '''

Bild 5-18 Für die beobachteten Emissionen verantwortliche photoangeregte Zustände des in Bild 5-17 gezeigten Cyclam-Dendrimers; a) vor, b) nach Protonierung (schematisch). Ar steht für eine Aren-, beispielsweise Naphthalen-Einheit, N für das N-Atom eines Amins; Ar-Ar-N symbolisiert ein Dendrimer, in dem Wechselwirkungen zwischen zwei Aren-Einheiten oder zwischen einer Aren- und Amin-Einheit möglich sind. Der Stern weist auf die Lokalisierung der elektronischen Anregung hin

Das protonierte Dendrimer zeigt eine viel stärkere Excimerbande als entsprechende FréchetDendrons ohne Cyclam-Kerneinheit. Ein möglicher Grund hierfür ist, dass die ExcimerBildung durch Faltung des – flexiblen – Benzylether-Gerüsts erleichtert wird. Während im Zuge der Protonierung des Cyclam-Dendrimers eine Veränderung der Emissionsintensität beobachtet wird, zeigt eine Vergleichssubstanz ohne Cyclam- und Benzen-Einheiten (Bild 517) im Einklang mit obiger Deutung bei Zunahme der Säurekonzentration einen linearen Anstieg der Naphthyl-lokalisierten Bande, aber einen Abfall der Intensität des Exciplexes. Die nichtlinearen spektralen Veränderungen der Naphthyl-lokalisierten Exciplex- und Excimer-Banden treten nach Zugabe der ersten beiden Äquivalente Trifluoressigsäure auf. Um die Exciplex-Entstehung zu unterdrücken, ist es demnach nicht nötig, jedes Stickstoffatom zu protonieren, da sich – bildlich ausgedrückt – die Stickstoffatome die Protonen teilen. Desweiteren schützt die Protonierung nicht nur vor der Exciplex-Bildung, sondern führt zu Konformationsänderungen der Cyclam-Einheit selbst, was sich wiederum auf die Excimer-Bildung zwischen peripheren Naphthyl-Einheiten des Dendrimers auswirkt. Auch POPAM-Dendrimere verfügen in ihrem Gerüstinneren über Amin-Einheiten, die protoniert werden oder Metall-Ionen koordinieren können. Die spektroskopischen und photochemischen Eigenschaften der ersten bis vierten POPAM-Generation mit peripheren, fluoreszierenden Naphthylsulfonamid-Gruppen wurden mit denjenigen der Referenz-Verbindungen A (N-Methylnaphthalen-sulfonamid) und B (N-(3-Dimethyl-aminopropyl)-2-naphthalen-1sulfonamid) verglichen[22] (Bild 5-19).

5.2 Antennen-Effekt und Photoisomerisierung von Dendrimeren

203

Referenzsubstanzen:

H S N CH 3 O2

A

SO 2 HN

CH 3

H SN O2

H N SO 2

N CH 3 H

B

SO 2 N

N N

O2 S N H

H N

N

S O2

N

N

N O 2S

N

O2S N H

O2S

H

NH

G2

n

+

O S O Cl

POPAM

NH 2

n

O2 S N

SO 2 SO SO 2 H H N 2 SO 2 N H N SO 2 HN H SO 2 N N SO2 H H S N N O2 N N SO 2 H H N N N N SO 2 H

O2 H S N H

N N

N

O2 S N H

N

N

O 2S N

N

N

N

SO 2 HN O2 S NH

N

N O2 S N H

N

N

O2 S NH

O 2S

O S HN 2 H O2 N S

N

N

N N NH H O2S N H NH N O S H 2 NH N H O 2S O 2S O 2S O 2S

N H N O 2S

S O2

G4

NH SO2

H N S O2

N

NH SO 2

N

NH NH SO 2

H O2S

N

N

H N S O2 H N S H O2

N

N

N

N

N

SO 2

N

N

N

O2S HN

N

N

N

N

N H

O 2S N H O2 S HN

H N S O2

N

N

O 2S N H

O 2S HN

N N

O2 S N

SO2 NH

H N SO 2

N

N

H

H N SO2

N

N

N

NH O2S

G3 Bild 5-19 Sulfonamid-substituierte POPAM-Dendrimere der Generationen G2-G4; entsprechende Mono-Sulfonamide A und B als Referenzsubstanzen (nach Pina, Balzani, Vögtle et al.)

204

5. Photophysikalische Eigenschaften dendritischer Moleküle

Sowohl Protonierung als auch Metallkoordination beeinflussen die Absorptions-/EmissionsEigenschaften der fluorophoren Gruppen – und darüber hinaus deren Wechselwirkungen. Die Absorptionsspektren der Dendrimere weichen dabei entscheidend von denjenigen der Referenzverbindungen ab. Außerdem nimmt in den Dendrimeren die Intensität der FluoreszenzBande bei Ȝmax 343nm mit zunehmender Generation stark ab (Dendritischer Effekt, siehe auch Kapitel 6.3) und wird vom Auftreten eines geschwächten, breiten Emissions-Ausläufers niedriger Energie begleitet. Protonierung der Amin-Einheiten des Dendrimers mit CF3SO3H in Acetonitril bedingt einen starken Anstieg der Lumineszenz-Intensität der Naphthylsulfonamid-Einheiten und eine Veränderung des Emissions-Ausläufers. Titrationen mit Zn(CF3SO3)2 zeigten erst bei höheren Konzentrationen ähnliche Effekte. Verwendung von Co(NO3)2.6H2O führte dagegen nur zu einem geringen Anstieg der Fluoreszenz-Intensität der Naphthylsulfonamid-Einheiten im Dendrimer. Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass in den einzelnen Dendrimeren Wechselwirkungen sowohl im Grund- wie auch im angeregten Zustand zwischen den Naphthyl-Einheiten als auch zwischen Naphthyl- und Amin-Einheiten der Dendrimer-Verzweigungen stattfinden, die Dimer/Excimer- und Ladungstransfer/Exciplex-angeregte Zustände zur Folge haben.

5.2.2 Photoisomerisierung Die reversible Photoisomerisierung[23] gehört zu den best ablaufenden Reaktionen in der Photochemie. Voraussetzung für diese Reaktion ist eine photoschaltbare Einheit. Da die Photoisomerisierung für Physik und Chemie – einschließlich Biologie – gleichermaßen von Interesse ist, sei sie hier an den Schluss des photophysikalischen Kapitels und vor den Anfang des folgenden Chemische Reaktionen-Kapitels gestellt. Azobenzen-Einheiten haben sich bei Photoisomerisierungen als besonders übersichtlich und experimentell gut geeignet erwiesen. Das thermodynamisch stabilere E-Isomer kann photophysikalisch in die Z-Form transformiert werden, welches wiederum durch Licht-Anregung oder thermisch in die E-Form zurückgeführt werden kann (Bild 5-20).

h Q1

N

N h Q 2 oder ' E

N N Z

Bild 5-20 E/Z-Photoisomerisierung des Azobenzens

Die Isomere zeigen unterschiedliche Absorptionsspektren: Die E-Form weist eine intensive ʌʌ*-Bande im nahen UV-Bereich und eine breite, symmetrisch verbotene nʌ*-Bande im sichtbaren Bereich auf. Findet die Isomerisierung zur Z-Form statt, dann verschiebt sich die ʌʌ*-Bande zu kürzeren Wellenlängen einhergehend mit einem Anstieg der nʌ*-Bande. Die EĺZ- Isomerisierung bringt eine starke strukturelle Veränderung des Moleküls mit sich, die sich auch in der Erhöhung des Dipolmoments ausdrückt (siehe auch Kapitel 8.8.1).

5.2 Antennen-Effekt und Photoisomerisierung von Dendrimeren

205

Die Effizienz der E/Z-Photoreaktion – und insbesondere die Geschwindigkeit der thermischen Z/E-Rückreaktion – hängt stark vom elektronischen und sterischen Einfluss der Substituenten an den Aren-Einheiten ab. ʌ-Donoren in para-Position beschleunigen sie, ʌAcceptoren hemmen sie, push-pull-Substituenten senken die Barriere besonders stark. Wird die Peripherie eines POPAM-Dendrimers mit Azobenzen-Einheiten dekoriert, so können Farbstoffmoleküle als Gäste in das Dendrimer-Gerüst eingeschlossen werden (siehe auch Wirt/Gast-Chemie in Kapitel 6.2.3).[23] Dabei unterscheiden sich E- und Z-Isomere (bzw. deren angereicherte Versionen) in ihrem Aufnahmevermögen für die Gäste. Im Prinzip kann dadurch die Gastaufnahme kontrolliert (geschaltet) werden (Bild 5-21).

Bild 5-21 Ein POPAM-Dendrimer mit peripheren Azobenzen-Einheiten, links in der E-, rechts in der Z-Konfiguration (schematisiert). Die E- und Z-Isomere wechselwirken unterschiedlich mit Eosin als Gast

Die Untersuchung der supramolekularen Wechselwirkung dieser Azobenzen-dekorierten dendritischen Wirtverbindungen mit Eosin als Gastsubstanz ergab, dass die Z- mehr davon aufnimmt als die E-Form. Dies ermöglicht das Aufnehmen/Freisetzen von Gastmolekülen durch entsprechende Bestrahlung. Letzteres ist für eventuelle medizinische Anwendungen relevant, wenn man an die dosierte Abgabe von Arzneistoffen durch Lichteinwirkung an bestimmten Stellen des Organismus denkt. Die thermische ZĺE-IsomerisierungsGeschwindigkeit liegt in der Größenordnung 3 x 106 sec-1.[24-26] Eine Funktionalisierung von POPAM-Dendrimeren mit dem push/pull-Azobenzen-Derivat Methylorange (Bild 5-21)[27] bietet weitere Möglichkeiten zur Photoschaltung. Der Farbwechsel dieses pH-Indikators von rot (pH 3,1) nach gelb (pH 4,4) ist durch Protonierung der Azo-Funktion zum Mesomerie-stabilisierten Azonium-Ion zu erklären (Bild 5-22).

206

5. Photophysikalische Eigenschaften dendritischer Moleküle CH 3 H3C

N

CH 3 N O3 S

' hQ

N hQ

N O 3S

'

N CH 3

N

Z

E -H

+H

CH 3 N O 3S

N CH 3

N H

CH 3 N O 3S

N CH 3

N H

Bild 5-22 Ursache des Farbwechsels des pH-Indikators Methylorange

Auch Methylorange kann der reversiblen Photoisomerisierung unterworfen werden.[28] Eine entsprechende Dekoration der Außenhülle eines POPAM-Dendrimers bringt demnach zwei Steuerungsmöglichkeiten – Konformations- und pH-Kontrolle – mit sich. Ähnlich den Azobenzen-funktionalisierten POPAM-Dendrimeren sind die photo-physikalischen Eigenschaften Generations-unabhängig, mit Ausnahme des molaren Extinktions-Koeffizienten (LambertBeersches Gesetz), der im Falle der vierten und fünften Generation stark vom erwarteten Wert abweicht, bedingt durch den exponentiellen Anstieg der Anzahl von MethylorangeFunktionen. Verglichen mit den normalen Azobenzenen sind E/Z- und Z/EIsomerisationsraten hier höher. Die Ursache hierfür ist in dem von der DimethylaminoGruppe als ʌ-Elektronen-Donor und der SO2-Gruppe als ʌ-Elektronen-Acceptor gebildeten push-pull-System (Bild 5-23) zu suchen, das die Energiebarriere für den Isomerisierungsprozess herabsetzt. CH3

CH3 Dendrimer

O H N S O

N N

N Dendrimer

CH3

O H N S

n

Bild 5-23 Dendrimer mit push/pull-ʌ-Azobenzen-System (schematisch)

O

N N

N CH3

n

5.2 Antennen-Effekt und Photoisomerisierung von Dendrimeren

207

Die pH-Abhängigkeit der Methylorange-funktionalisierten Dendrimere (Bild 5-24) ist zum einen Generations-abhängig (Dendritischer Effekt, siehe Kapitel 6.3) und wird zum anderen stark von den tertiären Amino-Gruppierungen im Kern beeinflusst. Letztere werden als basischster Teil im Dendrimer-Gerüst zuerst protoniert, was zugleich die Protonierung der Methylorange-Einheiten beeinflusst. In den höheren Generationen ist der Farbwechsel nicht so rasch und eindeutig im Vergleich zum monomeren Methylorange und nur durch Zugabe von überschüssiger Säure zu erreichen.[29] N

N

N

N N

NN

N

N N

N

NN O S O S O O O O NH NH S S NH O O NH N O O N N N S HN S NH O N O O O N N N H H N N SN N N S O O N N N O N H O NS SN N N N H N N O N O O N O NH NH S S N N N O O N O NH HN O N S NH O S O O NH N S O O S O N N N N N N N N N N N N

N

N

N

N

N

N

N

N N

Bild 5-24 Methylorange-funktionalisiertes POPAM-Dendrimer der dritten Generation (nach De Cola, Vögtle, Pina et al.)

Eine Familie von photoschaltbaren Dendrimeren mit Azobenzen-Kerneinheit wurde von Aida et al. beschrieben. An den vier meta-Positionen des Azobenzens wurden Fréchet-TypDendrons – bis zur fünften Generation – angeheftet (Bild 5-25).[30] Die Isomerisierung – mit Infrarot-Licht – vom Z- zum E-Konformer – läuft bei 21°C 260 mal schneller ab als ohne Licht. Die Photoisomersierung der Azobenzen-Kerneinheit bedarf jedoch einer höheren Energie als durch infrarote Lichtquanten üblicherweise zugeführt wird. Eine Erklärung für dieses unerwartete Phänomen wird mit dem von der Vielzahl an Arylether-Einheiten in den Dendrons ausgeübten Antennen-Effekt (Abschnitt 5.2.1) versucht. Die peripheren Einheiten absorbieren und sammeln die Energie und transferieren sie zum fokalen Punkt. Da der Kern des Dendrimer-Moleküls durch die raumerfüllenden äußeren Dendrons isoliert ist, kann die Energie offenbar nicht gestreut werden.

208

5. Photophysikalische Eigenschaften dendritischer Moleküle

Bild 5-25 Energietransfer durch die dendritische Hülle zur Azobenzen-Kerneinheit (nach Aida et al.)

Literaturverzeichnis und Anmerkungen zu Kapitel 5

209

Literaturverzeichnis und Anmerkungen zu Kapitel 5 „Photophysikalische Eigenschaften dendritischer Moleküle“ Übersichtsartikel sind durch ein vorgestelltes fett gedrucktes „Übersicht(en)“ bzw. Buch/Bücher gekennzeichnet. [1] Übersicht: A. Adronov, J. M. J. Fréchet, Chem. Commun. 2000, 1701-1710. Buch: V. Balzani, P. Piotrowiak, M. A. J. Rodgers, J. Mattay, D. Astruc, H. B. Gray, J. Winkler, S. Shunichi, T. E. Mallouk, Y. Haas, A. P. de Silva, I. Gould (Hrsg.), Electron Transfer in Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim 2001; G. Bergamini, P. Ceroni, M. Maestri, V. Balzani, S. K. Lee, F. Vögtle, Photochem. Photobiol. Sci. 2004, 3, 898-905; P. Ceroni, V. Vicinelli, M. Maestri, V. Balzani, S. K. Lee, J. van Heyst, M. Gorka, F. Vögtle, J. Organomet. Chem. 2004, 689, 4375-4383. [2] Bücher: P. W. Atkins Kurzlehrbuch Physikalische Chemie, 3. Auflage, Wiley-VCH, Weinheim 2001; B. Valeur, Molecular Fluorescence – Prinziples and Application, Wiley-VCH, Weinheim 2002; s. auch H. A. Staab, Einführung in die Theoretische Organische Chemie, Verlag Chemie, Weinheim 1962; W. Foerst (Hrsg.), Optische Anregung Organischer Systeme, Verlag Chemie, Weinheim 1966. [3] V. Balzani, P. Ceroni, C. Giansante, V. Vicinelli, F.-G. Klärner, C. Verhaelen, F. Vögtle, U. Hahn, Angew. Chem. 2005, 117, 4650-4654; Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 4574-4578. [4] J. Issberner, F. Vögtle, L. De Cola, V. Balzani, Chem. Eur. J. 1997, 3, 706-712. [5] U. Hahn, M. Gorka, F. Vögtle, V. Vicinelli, P. Ceroni, M. Maestri, V. Balzani, Angew. Chem. 2002, 114, 37473750; Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 3595-3598; G. Teobaldi, F. Zerbetto, J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 73887393. [6] M. Plevoets, F. Vögtle, L. De Cola, V. Balzani, New J. Chem. 1999, 23, 63-69; N. Armaroli, V. Balzani, Angew. Chem. 2007, 119, 52-67; Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 52-66. [7] A. Dirksen, U. Hahn, F. Schwanke, M. Nieger, J. N. H. Reek, F. Vögtle, L. De Cola, Chem. Eur. J. 2004, 10, 2036-2047. [8] L. Jullien, J. Canceill, B. Valeur, E. Bardez, J.-M. Lehn, Angew. Chem. 1994, 106, 2582-2584, Angew. Chem. Int. Ed. 1994, 33, 2438-2439; L. Jullien, J. Canceill, B. Valeur, E. Bardez, J.-P. Lefèvre, J.-M. Lehn, V. Marchi-Artzner, R. Pansu, J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 5432-5442. J. Seth, V. Palaniappan, T. E. Johnson, S. Prathapan, J. S. Lindsey, D. F. Bocian, J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 11194-11207; M. S. Vollmer, F. Würthner, F. Effenberger, P. Emele, D. U. Meyer, T. Stümpfig, H. Port, H. C. Wolf, Chem. Eur. J. 1998, 4, 260-269. [9] S. L. Gilat, A. Adronov, J. M. J. Fréchet, Angew. Chem. 1999, 111, 1519-1524; Angew. Chem. Int. Ed. 1999, 38, 1422-1427. [10] G. Accorsi, N. Armaroli, J.-F. Eckert, J.-F. Nierengarten Tetrahedron Letters, 2002, 43, 65-68. Übersicht: J.-F. Nierengarten, Top. Curr. Chem. (Bandhrsg. C. A. Schalley, F. Vögtle), 1998, 228, 87-110. [11] I. Akai, H. Nakao, K. Kanemoto, T. Karasawa, H. Hashimoto, M. Kimura, Journal of Luminescence 2005, 112, 449-453. [12] C. Devadoss, P. Bharathi, J. S. Moore, Angew. Chem. 1997, 109, 1706-1709; Angew. Chem. Int. Ed. 1997, 36, 1709-1711. [13] C. Devadoss, P. Bharathi, J. S. Moore, J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 9635-9644. [14] Z. Xu, J. S. Moore, Acta Polymer, 1994, 45, 83-87; R. Kopelman, M. Shortreed, Z.-Y. Shi, W. Tan, Z. Xu, J. S. Moore, A. B. Haim, J. Klafter, Phys. Rev. Lett. 1997, 78, 1239-1242. [15] M. Plevoets, F. Vögtle, L. De Cola, V. Balzani, New. J. Chem. 1999, 63-69. [16] Verwandte Dendrons und ihre Energie-sammelnden und -übertragenden Eigenschaften: G. M. Stewart, M. A. Fox, J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 4354-4360. [17] M. Plevoets, F. Vögtle, M. Nieger, G. C. Azzellini, A. Credi, L. De Cola, V. de Marchis, M. Venturi, V. Balzani, J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 6290-6298.

210

5. Photophysikalische Eigenschaften dendritischer Moleküle

[18] D. L. Officer, A. K. Burrell, D. C. W. Reid, Chem. Commun. 1996, 1657-1658. C. C. Mak. N. Bampos, J. K .M. Sanders, Angew. Chem. 1998, 110, 3169-3172; Angew. Chem. Int. Ed. 1998, 37, 3020-3023. [19] M.-S. Choi, T. Yamazaki, I. Yamazaki, T. Aida, Angew. Chem. 2003, 116, 152-160; Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 150-158. M.-S. Choi, T. Aida, T. Yamazaki, I. Yamazaki, Chem. Eur. J. 2002, 8, 2667-2678. [20] N. Tomioka, D. Takasu, T. Takahashi, T. Aida, Angew. Chem. 1998, 110, 1611-1614; Angew. Chem. Int. Ed. 1998, 37, 1531-1534. [21] C. Saudan, V. Balzani, P. Ceroni, M. Gorka, M. Maestri, V. Vicinelli, F. Vögtle, Tetrahedron 2003, 59, 38453852. G. Bergamini, P. Ceroni, V. Balzani, L. Cornelissen, J. van Heyst, S.-K. Lee, F. Vögtle, J. Mater. Chem. 2005, 15, 2959-2964. [22] F. Pina, P. Passaniti M. Maestri, V. Balzani, F. Vögtle, M. Gorka, S.-K. Lee, J. van Heyst, H. Fakhrnabavi, ChemPhysChem 2004, 5, 473-480. [23] Bücher und Übersichten über – nicht-dendritische – Azobenzen-Photoisomerisierungen und andere Photoschalter: V. Balzani, F. Scandola, Supramolecular Photochemistry, Ellis Horwood, New York 1991; N. N. P. Moonen, A. H. Flood, J. M. Fernández, J. F. Stoddart, Top. Curr. Chem. 2005, 262, 99-132; B. L. Feringa (Hrsg.), Molecular Switches, Wiley-VCH, Weinheim 2001; B. L. Feringa, N. Koumura, R. A. van Delden, M. K. J. ter Wiel, Appl. Phys. A, 2002, 75, 301-308; C. Dugave (Hrsg.), cis-trans Isomerization in Biochemistry, Wiley-VCH, Weinheim, New York 2006. [24] A. Archut, G. C. Azzellini, V. Balzani, L. De Cola, F. Vögtle J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 12187-12191; F. Puntoriero, P. Ceroni, V. Balzani, G. Bergamini, F. Vögtle, 2007, in Vorbereitung. [25] A. Archut, F. Vögtle, L. De Cola, G. C. Azzellini, V. Balzani, P. S. Ramanucham, R. H. Berg, Chem. Eur. J. 1998, 4, 699-706. [26] P. Sierocki, H. Maas, P. Dragut, G. Richardt, F. Vögtle, L. De Cola, F. (A. M.) Brouwer, J. I. Zink, J. Phys. Chem. B. 2006, 110, 24390-24398. [27] A. Dirksen, E. Zuidema, R. M. Williams, L. De Cola, C. Kauffmann, F. Vögtle, A. Roque, F. Pina, Macromolecules 2002, 35, 2743-2747. [28] D. M. Junge, D. V. McGrath, J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 4912-4913. [29] A. Dirksen, L. De Cola, C. R. Chimie 2003, 6, 873-882. [30] D. L. Jiang, T. Aida, Nature 1997, 388, 455-456.

6. (Spezielle) Chemische Reaktionen dendritischer Moleküle

6.1 Kovalente chemische Reaktionen Die Vielseitigkeit dendritischer Moleküle spiegelt sich nicht nur in ihren physikalischen Eigenschaften, sondern auch in der Einsatzfähigkeit bei chemischen Umsetzungen wider. Schon im Design kann hinsichtlich Kern, Verzweigung und Peripherie vor Beginn der Synthese eine Steuerung der chemischen Eigenschaften versucht werden. Die mit Reagenzien oft gut zugängliche Dendrimer-Oberfläche mit ihrer definierten Anzahl von Endgruppen bietet eine Vielzahl an Funktionalisierungsmöglichkeiten. Durch Balance der Philie-Eigenschaften (Hydrophilie/Lipophilie), sinnvolle Wahl der terminalen Gruppen an der Peripherie sowie der konformativen Flexibilität der Verzweigungen kann eine gewisse Anpassung an die gegebenen Reaktionspartner und -parameter vorgenommen werden. Der Molekülbau bestimmt zudem die Dichteverteilung innerhalb des Dendrimers und somit auch permanente oder dynamische – sich erst im Zuge der Wechselwirkungen ausbildenden – Nischen, die wiederum für die Wirt/Gast-Chemie wichtig sind. Da im Kapitel 3 bereits die – naheliegenden – kovalenten Reaktionen an der Peripherie von Dendrimeren (Funktionalisierungen und Umfunktionalisierungen) beschrieben wurden, seien hier einige darüber hinausgehende, speziellere Reaktionsweisen ergänzt. Dazu gehören auch solche, bei denen im Inneren des Dendrimer-Moleküls, zwischen Kern und Peripherie, Bindungen geknüpft oder gespalten werden. In diesem Bereich gibt es bisher allerdings mehr supramolekulare (nicht-kovalent reversible) Beispiele (siehe Abschnitt 6.2) als kovalente, die zwar als etwas spezieller, aber auch als recht originell gelten können und auf die im folgenden Abschnitt 6.1.1 eingegangen wird.

6.1.1 Metathese Fréchet und Liang synthetisierten ein Benzylether-Dendrimer der fünften Generation mit 22 internen Allygruppen. Anschließende Olefin-Metathese[1] verursachte zum einen eine intramolekulare Vernetzung, zum anderen wurde eine kovalente Verknüpfungsstelle für Olefinfunktionalisierte Gäste geschaffen (Bild 6-1).[2] Auf diese Weise konnte auch eine intermolekulare Quervernetzung – zwischen G5-Dendrimer-Molekülen – erreicht werden.

212

6. (Spezielle) Chemische Reaktionen dendritischer Moleküle

O

O

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Bild 6-1

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O O

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O

Olefin-Metathese zur Quervernetzung (grau markiert) innerhalb des Dendrimer-Moleküls (Einige Bindungen sind der Übersichtlichkeit halber in die Länge gezogen; nach Fréchet, Liang et al.)

6.1 Kovalente chemische Reaktionen

213

Von Astruc et al. hergestellte Ruthenium-Carben-komplexierte Dendrimere bis zur dritten Generation (Bild 6-2) enthalten ein chelatisierendes Diphosphan, das hinreichend stabil ist für den Aufbau der dendritischen Architektur, und zugleich reaktiv genug, um durch Ringöffnungs-Metathese-Polymerisation (ROMP) das in Bild 6-3 gezeigte Dendrimer synthetisieren zu können.[3] P P

P

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1

Bild 6-2 Ruthenium-Carben-komplexiertes Dendrimer (nach Astruc et al.; die beiden CyclohexylReste an jedem der P-Atome wurden der Übersichtlichkeit halber weggelassen)

214

6. (Spezielle) Chemische Reaktionen dendritischer Moleküle

Hierzu wurde ein Hoveyda-Katalysator [Ru(=CH-o-O-i-Pr-C6H4)Cl2(PPh3)] verwendet, der durch einen Isopropyloxy-Substituenten in ortho-Position des Benzyliden-Liganden modifiziert war, womit einer der Phosphan- durch den hemilabilen chelatisierenden EtherLiganden ersetzt ist.[4] Anschließend wurde das so hergestellte Ruthenium-Carbenkomplexierte Dendrimer zur Ringöffnungsmetathese-Polymerisation von Norbornen eingesetzt (Bild 6-3). Ar Ar Ar Ar

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Ar

2

Bild 6-3 Ringöffnungsmetathese-Polymerisation (ROMP) von Norbornen (die beiden CyclohexylReste an jedem der P-Atome wurden der Übersichtlichkeit halber weggelassen; nach Astruc et al.)

Verzweigte Metallo-Dendrimer-Katalysatoren wurden auch von van Koten, Hoveyda und Verdonck beschrieben.[5] Mittels einer katalytisch durchgeführten gekreuzten Olefin-Metathese lassen sich PolyolefinDendrimere stereoselektiv mono- oder bifunktionalisieren.[6] Bereits Grubbs et al. zeigten, dass ein endständiges Alken in Gegenwart eines anderen (mit Elektronen-ziehenden Substituenten), mithilfe der zweiten Generation von Ru-Katalysatoren einer Metathese-Reaktion

6.1 Kovalente chemische Reaktionen

215

unterworfen werden kann, die in hohen Ausbeuten stereoselektiv zu gekreuzten Ekonfigurierten Olefinen führt.[7] Auf die kovalente Chemie wasserlöslicher Dendrimere übertragen, wird in einem ersten Schritt ein Oligomethylbenzen wie Mesitylen oder Hexamethylbenzen durch Cyclopentadienyl-komplexiertes Eisen (1 in Bild 6-4) aktiviert. Die Folgereaktion mit KOH und Allylbromid (oder 1-Iodundecan) in Tetrahydrofuran und anschließender Bestrahlung mit sichtbarem Licht (in MeCN) ergibt nach Dekomplexierung den dendritschen Kern 2. Da endständige Polyolefine zur Ringschluss-Metathese neigen, wird, um dies zu verhindern, die Kerneinheit durch Hydrosilylierung mit HSiMe2CH2Cl „verlängert“. Umsetzung mit der Allylverbindung HOC6H4C(CH2CH=CH2)3 und erneuter Verlängerung und Reaktion mit dem langkettigen Alken HOC6H4O(CH2)9CH=CH2 macht aus dem 27-fachen Allyl-Dendrimer 3 der ersten Generation das 27-fache Olefin-Dendrimer 4. Abschließende Umsetzung mit Grubbs-Katalysator und einem Alken mit Elektronen-ziehenden Resten führt zum gewünschten Polyolefin 5 mit den entsprechenden Resten (R = H oder Methyl).

CH2=CHCH2Br

O

Fe

O Si

Si O

Si

Fe = [ K 5CpFe] [PF 6] O

1

Si

2

Si HSiMe 2CH2Cl Si HOC6H4C(CH2CH=CH2)3

Si

O Si

Si

O

O

3

O

O

216

6. (Spezielle) Chemische Reaktionen dendritischer Moleküle

O

O

O

O

O

Si

Si

Si Si

O

O

Si

O

Si

O

HSiMe2CH2 Cl

Si

O Si

O Si Si

HOC 6H4O(CH2)9CH=CH2

O

Si Si

O

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O Si

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Si

Si O O

Si O

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Si

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O

O

O

4

CH2CHCO 2R

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ROOC

N

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Cl

COOR

Cl COOR

ROOC

N Ru C H PCy3

Ph

COOR ROOC

O

O O

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Si Si

O ROOC

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O Si ROOC

Si Si

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Si

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Si ROOC

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O

Si

Si Si

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O

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S i Si

Si

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O

Si Si

COOR

O

O ROOC O

O

O

O COOR

ROOC COOR COOR

COOR COOR

5

(R = H, CH3 )

COOR

Bild 6-4 Olefin-Metathese an Dendrimeren (nach Astruc et al.)

So erhaltene Polycarbonsäure-Dendrimere wurden mit Ferrocen-substituierten tert-Aminen N[(CH2)4–Fc]3 (Fc = Ferrocenyl) umgesetzt, was zu Ammonium-Salzen mit insgesamt 243 terminalen Ferrocen-Einheiten führte.[6]

6.1 Kovalente chemische Reaktionen

217

6.1.2 Molekulares Prägen Auch beim „Molekularen Prägen“[8] (molecular imprinting) wird ein polymeres Netzwerk aufgebaut. Anders als in der üblichen Wirt/Gast-Chemie nutzt man hier nicht niedermolekulare Wirtsubstanzen, sondern ein polymeres Netzwerk (Matrix) mit vorgeprägten Hohlräumen (Poren). Letztere werden zum selektiven Gasteinschluss vorbereitet und eingesetzt. Hierzu werden Monomere (z. B. Styren) mehrfach reversibel um ein – später als Gast gewünschtes, konvexes – Templat herum gebunden und anschließend mithilfe eines Vernetzers (z. B. Ethylendimethacrylat) polymerisiert. Die ehemaligen Monomerbausteine umschließen danach das „Templat“ (molekulare Schablone)[9] als molekular geprägtes (imprinted) Polymer (MIP). Das Templat selbst ist nicht an der Polymerisation beteiligt, sondern dient nur als Platzhalter für die späteren (konkaven Nano-)Poren. Nach Entfernen des Templats durch Auswaschen/Extraktion verbleiben definierte Hohlräume („imprints“), deren Form und Polaritätseigenschaften komplementär zum Templat sind, ähnlich einem „Gipsabdruck“ (Bild 6-5).

Monomer reversible Bindung der Monomere an das Templat

+ Vernetzer

Templat

Polymerisation

Polymer

Polymer

Entfernung des Templats

Templat-komplementäre Pore

Bild 6-5 Prinzip des Molekularen Prägens (molecular imprinting; schematisch, nach Wulff et al.)

Die Anbindung der Alken-Monomere an das Templat (Bild 6-5), die auf jeden Fall reversibel – leicht zu knüpfen und zu spalten – sein muss, um das Templat nach der Polymerisation wieder entfernen zu können, kann generell auf zwei Wegen erfolgen: kovalent oder nicht kovalent. Während letztere Wechselwirkungen (ionische-, hydrophobe-, ʌ-ʌ-, Wasserstoffbrücken-) leicht rückgängig gemacht werden können, gibt es für reversible kovalente Anknüpfungen weniger Möglichkeiten. Eine davon ist die Bildung von Boronsäure-Estern – aus Boronsäure-Einheiten der Monomere und OH-Gruppen von Zucker-Templaten.

218

6. (Spezielle) Chemische Reaktionen dendritischer Moleküle

Molekulares Prägen mit Dendrimeren Zimmerman et al. synthetisierten durch konvergente Synthese Dendrimere mit einem Benzen1,3,5-tricarbonsäure-Kern, um den herum 3,5-Dihydroxybenzylether-Dendrons mit terminalen Homoallylether-Funktionen gruppiert sind. Das Dendrimer wird durch RingschlussMetathese (RCM; C von Closing) mithilfe eines Grubbs-Katalysators in stark verdünnter Lösung an der Peripherie geschlossen (Bild 6-6). Durch anschließende Hydrolyse wird der Trimesinsäure-Kern entfernt, der als kovalentes Templat diente, so dass nur der definierte Hohlraum zurückbleibt.[10,11] Die Reaktionsführung in verdünnter Lösung ist erforderlich, um intermolekulare Reaktionen wie Dimerbildung zu vermeiden. Wird eine Konzentration von 10-5 mol/l überschritten, kommt es zu den unerwünschten Nebenreaktionen. R

O

O

R

O

R

R

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Grubbs

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Benzen

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O

O

O O O R

O

O

O

O

R O

O

O R

O

O

R

O

R = H, OMe,

Bild 6-6 Molekulares Prägen mit Dendrimeren (nach Zimmerman et al.)

Um diese zurückzudrängen, wurde unter Beibehalten der Gerüstarchitektur die Peripherie des Edukt-Dendrimers durch Einfügen von raumfüllenden Benzylether-Einheiten zwischen den Homoallyl-Gruppierungen modifiziert (R in Bild 6-6). Die anschließende Durchführung der

6.1 Kovalente chemische Reaktionen

219

Ringschluss-Metathese zeigte, dass damit auch bei höheren Konzentrationen (10-3 mol/l) gearbeitet werden kann, ohne dass dies zu nennenswerten intermolekularen Quervernetzungen (cross-linking) führt.[11] Das Verfahren des Molekularen Prägens wurde auch ausgehend von Dendrimer-Gerüsten mit 5,10,15,20-Tetrakis(4-hydroxyphenyl)porphyrin- sowie 5,10,15,20-Tetrakis(3,5-dihydroxyphenyl)porphyrin-Kernen, die als Template dienten, angewandt.[12] Durch Molekulares Prägen wurden auch Nanoröhren gewonnen. Weiterhin erwiesen sich molekular geprägte Oberflächen nützlich als Erkennungsschichten für akustische und optische Sensoren sowie für das Design von „MIP-Arrays“ und Biochips. Nähere Informationen sind im Kapitel 8 („Spezielle Eigenschaften und Anwendungspotenziale“) zu finden.[13]

6.1.3 Kovalenter Einbau von Funktionalitäten im Inneren dendritischer Moleküle Wie bereits im Kapitel 2 beschrieben, können Dendrimere konvergent oder divergent aufgebaut werden. Die konvergente Synthesestrategie ermöglicht ein kontrolliertes Platzieren von Funktionalitäten innerhalb eines Dendron-Gerüsts oder im fokalen Punkt (Bild 6-7). Geeignete Dendrons sind daher wichtig. Das Modifizieren von Dendrimer-Gerüsten und von Funktions-tragenden Zentren ist essentiell für den nachträglichen Einbau von reaktiven Einheiten innerhalb der Verzweigungseinheiten, zur sterischen Umhüllung (Abschirmung) vorhandener Substituenten („Kragenbildung“) und zur Löslichkeitsveränderung durch lipo-oder hydrophile Dendrons. Auf diese Weise kann z. B. auch verhindert oder erschwert werden, dass die Lumineszenz durch Zusammenstöße sich zu nahe kommender lumineszenter Dendrimer-Arme (teilweise) gelöscht wird.[14]

Bild 6-7 Konvergentes kovalentes Anknüpfen von – inerten oder funktionalen – Dendrons beim Dendrimer-Aufbau

Aber auch die divergente Synthesestrategie ermöglicht es, eine dendritische Hülle kovalent um eine Funktions-tragende Dendrimer-Kerneinheit aufzubauen (Bild 6-8; weitere Beispiele in Kapitel 4.1).

220

Bild 6-8

6. (Spezielle) Chemische Reaktionen dendritischer Moleküle

Divergentes kovalentes Anknüpfen von – inerten oder funktionalen – Bausteinen beim Dendrimer-Aufbau

Mit der sterischen Umhüllung des Kerns, der Verzweigungen oder der Endgruppen (Bild 6-8) kann die Zugänglichkeit von Reaktionspartnern zu reaktiven Zentren eingeschränkt werden. Dies ermöglicht das Ausbilden lokaler Mikro-Umgebungen, welche dann die chemischen, elektro- oder „photonischen“[15] Eigenschaften der so eingehüllten funktionalen Gruppen mitbestimmen. Im Vergleich zu nicht-dendritischen Referenzverbindungen können sich Solvatochromie und Redoxverhalten des reaktiven Zentrums, um nur wenige Eigenschaften zu nennen, durch die neu geschaffene Mikroumgebung entsprechend deren Elektronendichte, Polarität und Philie verändern.[16] Das Konzept der Einhüllung katalytisch wirksamer Einheiten durch Herumgruppierung von Dendrons kann den (selektiven) Zugang von Substraten zum Katalysator beeinflussen und so Substrat-, Regio- oder Enantioselektivität erzeugen oder verbessern.[17] Besonders vielfältige nachträgliche kovalente Bindungsknüpfungen im Dendrimer-Inneren erlauben Majorals Dendrimere unter Ausnutzen der Möglichkeiten der Phosphor-Chemie (Näheres in Kapitel 4.1.10).

6.2 Supramolekulare (Wirt/Gast-)Wechselwirkungen 6.2.1 Nicht-kovalente Modifikation der Peripherie eines Dendrimers Während in den vorangegangen Kapiteln die Dendrimer-Peripherie meistens durch kovalente Umfunktionalisierung variiert wurde, beruht ein anderes Konzept auf der Modifikation der Dendrimer-Oberfläche durch nicht kovalente Wechselwirkungen.[18] Selektive Wechselwirkungen von Gastmolekülen mit dendritischen Wirten sind sowohl von der Beschaffenheit des Dendrimer-Kerns als auch der -Schale abhängig. Kim et al. fanden eine Möglichkeit, Pseudorotaxan-Einheiten durch nicht-kovalente Wechselwirkungen – reversibel – an die Außenschale zu fixieren (Bild 6-9). Das Präfix pseudo steht für Rotaxane, die wegen fehlender oder kleiner Sperrgruppen (Stopper) ohne großen Energieaufwand abfädeln können. Diese endständigen Gruppen bilden eine vergleichsweise starre Dendrimer-Hülle, die – je nach dem Abfädelungsgrad der Rotaxanreife unter bestimmten Reaktionsbedingungen – beispielsweise zum (reversiblen) Einschluss von Gästen im

6.2 Supramolekulare (Wirt/Gast-)Wechselwirkungen

221

Inneren des Dendrimers genutzt werden könnte. Nach Freisetzung der Gäste infolge Abfädelung der Reife gewinnt die „starre Oberfläche“ wieder an Flexibilität. NH2 NH2 NH 2

NH 2

NH3 HN

NH 2

NH

HN HN O

H 2N

HN

HN

O

HN

NH 2 HN

O H N

NH2 O

N H

HN

N

N

O

O

N

O

O N

N

H N

N O N H

N

H N N

N

O

H N

N N

HN

H 2N

N

O

NH 2

O

N

N

NH

NH 2

N H

O

HN

H 2N N H

NH 2

H N

H N

N

HN H 2N

NH HN

HN

HN HN

O

HN

O

O

HN H 2N

HN

H N N H

O

N

NH2

HN NH

N O

N N H

H 2N

H N

N

N

O

N

N

NH 2

HN NH O

N N

NH

O HN

NH

N

N

O

N

NH

H 2N N H

O

N

H 2N

NH2

NH

NH O N H

NH

NH

NH

O H 2N

NH3

NH

N

O H2 N

N H

O N

N H

NH

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O NH

O

NH

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NH NH NH

NH NH

NH2

NH

NH O

NH 2

NH

H2 N

NH 2 H2 N

H 2N NH 2

94 HBr

= Cucurbituril

Bild 6-9 Pseudorotaxan-terminiertes Dendrimer der vierten Generation (nach Kim et al.)

Meijer et al. entwickelten eine allgemein anwendbare supramolekulare Methode, um die Peripherie von POPAM-Dendrimeren zu modifizieren. Kovalent gebundene HarnstoffEndgruppen wurden an ein Gerüst geknüpft, das aus DAB-dendr-(NHCONH-Ad)n bestand, mit n = 4, 8, 16, 32 und 64, wobei DAB-dendr für das Dendrimer-Gerüst mit 1,4Diaminobutan-Kern, Ad für Adamantyl steht. Damit gelang es, Glycinylharnstoff-

222

6. (Spezielle) Chemische Reaktionen dendritischer Moleküle

Gastmoleküle mithilfe direktionaler Mehrfach-Wechselwirkungen relativ stark und doch reversibel zu binden (Bild 6-10). Sie setzen sich aus ionischen- und WasserstoffbrückenWechselwirkungen innerhalb der nischenförmigen zweidimensionalen Ebenen der peripheren Bis-Adamantylharnstoff-Einheiten zusammen. Die durch Andocken der Gäste gebildeten dendritischen Supramoleküle zeigen einen deutlichen Anstieg der Formsteifigkeit an der Peripherie, während am äußeren Ende der selektiv gebundenen Gastmoleküle eine Konformations-bedingte Flexibilität verbleibt.[19]

H

H

N

N O O

Dendrimer

+

N

HO

H N

H N

O

O H

H

N

N O

32 H N

H N O H N

H Dendrimer *

NH

O

N

O

O

O H

H N

N O

32 Bild 6-10 Glycinylharnstoff-Gastmoleküle (grün) docken an der Harnstoff-funktionalisierten, Nischen-förmigen Peripherie (rot) eines POPAM-Dendrimers (als graue Kugel schematisiert, mit 32 terminalen Gruppen) aufgrund „maßgeschneiderter“ supramolekularer Wechselwirkungen (rote Bindungen) an (nach Meijer et al.)

Weitere Beispiele nicht-kovalenter Modifikationen an Dendrimer-Außenhüllen sind in der Literatur zu finden.[20]

6.2 Supramolekulare (Wirt/Gast-)Wechselwirkungen

223

6.2.2 Selbstorganisation von Dendrimeren Tomalia et al. nutzten ionische Wechelwirkungen, um „Kern/Schale-Tecto-Dendrimere“ aufzubauen. Darunter verstanden sie ursprünglich aus dendritischen Molekülen zusammengesetzte Cluster mit einem PAMAM-Dendrimer als Kern, um den herum Dendrimere niedrigeren Generationsgrads kovalent angebunden sind. Der Kernbaustein und die – im Überschuss zugegebene – dendritische Schaleneinheit werden im vorliegenden Fall durch (ionische) Selbstorganisation (self-assembly) unter Ladungsneutralisation zur supramolekularen Kern/Schale-Architektur zusammengefügt. Anschließende Ausbildung kovalenter Bindungen mithilfe eines Amin-terminierten dendritischen Kerns als limitierendem Reagenz und Zugabe von überschüssigem Carbonsäure-terminiertem Dendrimerschalen-Reagenz führt zu den Tectodendrimeren.[21] Ein Vorteil dieser Nano-skaligen Gebilde liegt darin, dass jedem TeilDendrimer unterschiedliche Funktionalitäten zugeordnet werden können. Der vollständige Selbstaufbau von diskreten supramolekularen Dendrimeren gelang unter Verwendung eines homotritopen (mit drei gleichen Wirteinheiten bestückten) HamiltonRezeptors 1 (vgl. Abschnitt 6.2.3.1) als Kerneinheit mit Wirtcharakter. Als Verzweigungseinheit diente ein AB2-Element 2, das – kovalent – aus zwei Hamilton-Rezeptoren und einem komplementären Cyanursäure-Substrat aufgebaut ist. Jeweils ein Satz von 3•2n-3 (n = Generationsgrad) Molekülen der AB2-Einheit 2, ein Kern (1) und die Barbiturat- oder Cyanursäure-Endgruppen 3 bilden das supramolekulare Dendrimer 4. Tritt der Idealfall ein, dass alle Wasserstoffbrücken zwischen den Bausteinen 1 und 3 genutzt werden, so kann unter thermodynamischer Kontrolle durch Mischen der drei Reaktionspartner im Verhältnis 1:(3•2n-3):(3•2n) (Kern: Verzweigungseinheit: Endgruppe) ein supramolekulares Dendrimer der n-ten Generation erwartet werden (Bild 6-11).[22] Dieses Konzept wurde auch zum Aufbau von chiralen Depsipeptid-Dendrimeren genutzt.[23] Weitere supramolekulare Dendrimere sind in den Kapiteln 2.6 und 4.1 zu finden. Die Steuerung der Selbstorganisation mittels schaltbarer Redoxprozesse in Komplexen zwischen Dendrimeren mit ʌ-Donor- und ʌ-Acceptor-Einheiten ermöglichte konkrete Aussagen über die räumliche Ausdehnung der dendritischen Aggregate. Der Einsatz von Cucurbit[8]uril (s. Bild 6-9) als Donor-Wirtverbindung für Viologen-Gäste (dendronisierte 4,4’-Bipyridine als Acceptoren) fördert die Bildung solcher Charge-Transfer-Komplexe.[24]

224

6. (Spezielle) Chemische Reaktionen dendritischer Moleküle

H

N

O

N N

H

HN O

O

O

O O

O

HN N

O N H

N

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N H HN

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O

O N H

O

N

=

N H

Kerneinheit

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N

N

HN

NH

1 O

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O HN O

Gn NH

N

O

4

O

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O N H

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O O

N H HN

O

O

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N

O N H

H

NH

= NH

2

O N

N

HN O

N H

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Verzweigungseinheit

O

O

N

=

terminale Einheit

N O

H

3

Bild 6-11 Supramolekularer Selbstaufbau von supramolekularen Dendrimeren (nach Hirsch et al.)

6.2.3 Einschluss von Gast-Species in dendritische Wirtmoleküle 6.2.3.1 Dendrimere mit multiplen Rezeptor-Einheiten Die Peripherie von Dendrimeren ist prädestiniert für das Anknüpfen zahlreicher RezeptorEinheiten. Grundsätzlich ist dies auch im Kern oder an den Verzweigungseinheiten möglich.[25]

6.2 Supramolekulare (Wirt/Gast-)Wechselwirkungen

225

Eine der bekanntesten Rezeptor-Einheiten ist die von Hamilton et al. eingeführte.[26] Diese oft kurz als „Hamilton-Rezeptor“ bezeichnete Barbiturat-Rezeptornische (Bild 6-12) besteht aus einem Isophthaloyl-Spacer, der von zwei acylierten 2,6-Diaminopyridin-Einheiten flankiert ist. Durch Makrocyclisierung mit einer starren Diphenylmethan-Einheit wird ein nicht kollabierender Wirthohlraum aufgespannt, der sich unter Ausbildung von sechs Wasserstoffbrücken-Bindungen zur selektiven Komplexierung von Barbiturat-Gastmolekülen eignet.

O

O

NH

N O

NH

O

HN

NH

N HN

N

O

O

O

Bild 6-12

O

NH

HN N HN

O

O

Makrocyclischer Hamilton-Rezeptor für Barbiturat-Gastmoleküle (linke Seite). Zum Vergleich (rechts) eine nichtcyclische Hamilton-Wirtverbindung, die entsprechende Gastmoleküle deutlich schwächer bindet

Dieses bewährte Wirt-System wurde auf Dendrimere übertragen, indem die Peripherie von POPAM-Dendrimeren mit der acyclischen Hamilton-Variante funktionalisiert wurde (Bild 6.13). Nach deren Monofunktionalisierung mit einer Aminogruppe am Isophthaloyl-System konnte sie mehrfach kovalent an das Dendrimer geknüpft werden. Auf diese Weise wurden POPAM-Dendrimere bis zur vierten Generation peripher mit Barbiturat-Rezeptoren „dekoriert“. Die Funktionsweise der einzelnen Dendrimere als multivalente Wirtverbindungen konnte durch 1H-NMR-Spektroskopie und photophysikalische Studien belegt werden, wobei sich auch Dendritische Effekte (Kapitel 6.3) offenbarten.

226

6. (Spezielle) Chemische Reaktionen dendritischer Moleküle

R

O

O

HN N HN O

H H R N N N O O

HN

NH

R O HN N HN O H H R N N N O N O O H

N

O R NH N O NH H H N N R N O O NH O

NH N

N

O

H N O

N

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N

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O O NH O N N H R N H HN O N

H N

N H

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H H N N R N O O

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O HN H N

HN

NH

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HN O O O N R N N H H HN O N HN R O

R

N O NH

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O O N N N R H H

O NH N NH O R O O O HN N N N R H H O NH N

+ R

NH O R

O

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HN N HN O

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H H R N N N O O

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R O HN N HN O H H R N N N O N O O H

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O R NH N O NH H H N N R N O O NH O

NH N

N

O

= Barbiturat mit photoaktiven Substituenten

H H N N R N O O

O

O HN H N

HN

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O O O N R N N H H HN O N HN R O

R

N O NH

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O O N N N R H H

O NH N NH O R O O O HN N N N R H H O NH N NH O R

O

Bild 6-13 POPAM-Dendrimer mit peripheren Hamilton-Rezeptornischen (rot) und „Andocken“ von Barbiturat-Gastmolekülen (grün; schematisch)

Mit steigender Generationszahl wurde ein Anstieg der Quantenausbeute der Emission der „Hamilton-Rezeptor-Dendrimere“ (Bild 6-13) festgestellt. Die Ursache dieses Anstiegs wurde der – durch die Bindung der Gäste initiierten – zunehmend starrer werdenden Konformation der Hamilton-Rezeptoren beim Übergang zu höheren Generationsgraden und in der damit einhergehenden stärkeren sterischen Hinderung an der Peripherie des Wirt/GastKomplexes zugeschrieben. Die Bindung des – im Bild 6-14 gezeigten – Rheniumkomplexsubstituierten Barbiturats, das einen photoangeregten Zustand niedrigeren Energie-Niveaus aufweist als die Hamilton-Einheit, verursacht einen WirtĺGast-Energietransfer (3.6•1010 s-1). Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass durch Funktionalisierung der Peripherie von POPAM-Dendrimeren stabile Wirt/Gast-Systeme mit hohem Gastaufnahmevermögen erhalten werden können.[27]

6.2 Supramolekulare (Wirt/Gast-)Wechselwirkungen

227

Dendrimer

NH

hQ (330 nm)

O

O

NH

O

O NH

NH O

N O

'(

N HN

NH

NH

HN

O

O

O

N N

Re(CO3)Br

hQ (575 nm) Bild 6-14

n = 4, 8, 16, 32

Energietransfer vom Hamilton-Wirt zum Barbiturat-Gast mit emittierendem Rheniumkomplex

POPAM-Dendrimere, die bis zu 32 photoschaltbare Azobenzen-Gruppen in der Peripherie tragen, wurden als Wirtverbindungen für Eosin Y (2’4’5’,7’-Tetrabromfluorescein-Dianion) genutzt (s. auch Kap. 5.1.2). Die Wahl fiel auf diesen Farbstoff, zum einen, weil er starke Fluoreszenz zeigt, die im Falle einer Einhüllung durch das Dendrimer beeinflusst werden sollte. Zum anderen liegt die Energie seines niedrigsten Triplett-Zustands höher als die des niedrigsten Triplett-Zustands des Azobenzens, was eine Sensibilisierung der Photoisomerisierung der peripheren Einheiten des POPAM-Dendrimers zur Folge hat. Die E-Form des Azobenzen-Dendrimers kann durch Licht-Anregung – reversibel – zur Z-Form umgeschaltet werden (vgl. Kapitel 5.2.2). Beide dendritische Oligo(azobenzen)-Isomere löschen die Fluoreszenz des Eosins, wahrscheinlich bedingt durch eine Elektronentransfer-Reaktion zwischen dem angeregten Singlett-Zustand des Eosins und den tertiären Amin-Gruppen des POPAM-Kerns. Das Löschen ist effizienter bei Vorliegen der Z- als der E-Form. Die E ĺ Zund Z ĺ E-Photoisomerisierung der Azobenzen-Einheiten des Dendrimers wird durch Eosin via Triplett-Triplett-Energietransfer sensibilisiert. Letzterer läuft nach dem FörsterMechanismus (s. Kapitel 5.1.2) intramolekular im Dendrimer selbst und „intrasupramolekular“ vom Dendrimer zum Eosin-Farbstoff ab. Die erhaltenen Ergebnisse unter-

228

6. (Spezielle) Chemische Reaktionen dendritischer Moleküle

mauern die Annahme, dass das Eosin als Gast in das Dendrimer-Innere eindringt (Bild 615).[28]

N N

N N N N N N N N N N N N N

N N

N N

N N

N

N N

N N N

O O O N N O NH NHNH NHO N NHO O NH N N N NH NH N N O O H N N NH N N O O N H N N NH N N N O OH N N NH N N N N O N OH N N N NH N O N N N O HN N N N N HO N N O N N N N HN HO N O N N N HN N N H N O O N HN N N N H N OHN N N HN O N N HN O OHN N N OHN HNHN HN O N N O O O N N N N N N N N N N N N N

hQ'

COO Br

Br O

O Br

E-Isomer

N N

N N

N N

N

N N N O O NHO N NH O NH NHO NHO O NH N N N NHO N N N O NH H N N N NH N N N O O H N N N N NH N N O N OH N N NH N N N N N O N OH N N N N N NH N O N N O N HN N N N N N HO N N N O N N N HN N N HO N OHN N N N N N N H O O N N N HN N N N H O N N OHN N HN N N N HN O OHN N OHN HNHN HN O N O N O O N N N N N N N N N N N N N N N

hQ

N N

N N

N

O Br

Eosin

Z-Isomer

Bild 6-15 Unterschiedlicher Einschluss von Eosin-Gastmolekülen in (isomeren) photoschaltbaren POPAM-Wirtverbindungen. Anzahl und Lage der aufgenommenen Eosin-Moleküle variieren mit den Bedingungen (schematisch; der Übersichtlichkeit halber sind hier nur wenige Gastmoleküle eingezeichnet; vgl. Kapitel 5.2.2, Bild 5-21) nach Balzani, De Cola, Vögtle et al.)

Eine Licht-gesteuerte „Dendritische Box“ wurde an analogen POPAM-Dendrimeren der vierten Generation, deren Peripherie abwechselnd mit Azobenzen- und Naphthyl-Einheiten bestückt war, untersucht. Messungen der Photoisomerisierung bei einer Wellenlänge von 365nm in Dichlormethan zeigten, dass nicht alle Azobenzen-Einheiten der E-Form in die ZForm übergehen, sondern dass beispielsweise vier Einheiten in der E-Form bestehen bleiben und annähernd 28 Einheiten zur Z-Form isomerisieren. Von dieser Isomeren-Mischung wurden bei pH 7 sechs Eosin-Moleküle pro Wirtmolekül aufgenommen. Das reine E-Dendrimer lagert dagegen unter gleichen Bedingungen acht Eosin-Gäste ein. Dies kann so erklärt werden, dass in der E-Form die Peripherie nicht so dicht gepackt ist (vgl. Bilder 6-15 und 5-21) und die Gastmoleküle dadurch leichter in die sich an wechselnden Stellen dynamisch bildenden Nischen gelangen. In der „nahezu-Z-Form“ – in der sich die Mehrzahl der Azobenzene in der voluminöseren Z-Form befindet – liegen die terminalen Gruppen gedrängter nebeneinander, so dass hier Gastmoleküle nicht so leicht in das Dendrimer-Innere vordringen können.[29]

6.2 Supramolekulare (Wirt/Gast-)Wechselwirkungen

229

6.2.3.2 Gast-Einschluss durch sterische Verdichtung POPAM-Dendrimere können aufgrund ihrer konformativen Flexibilität als Wirtmoleküle für kleine Gastmoleküle dienen. Die nicht-kovalent reversible Aufnahme dieser Gäste ist auf elektrostatische, hydrophobe, H-Brücken- und Säure/Base-Effekte im Dendrimer-Inneren zurückzuführen. Der Einschluss kann jedoch unter Bildung einer “Dendritischen Schachtel“ (dendritic box) aufgrund einer sterischen Verdichtung der Peripherie (Bild 6-16) – nach kovalentem Anknüpfen hinreichend großer terminaler Gruppen – irreversibel gestaltet werden. Zur Einlagerung von Farbstoffmolekülen in derartige Dendrimere siehe auch Kapitel 8.3.6.

Bild 6-16 Irreversible Einkapselung von Gästen (grün) durch Verdichtung der Oberfläche zur dendritischen Schachtel (schematisch)

Ein konkretes Beispiel für eine nicht-kovalente Einkapselung von Gästen – durch supramolekular aufgebaute Wirtmoleküle – bieten wasserlösliche, als „Containermoleküle“[30] fungierende, mit 3,4,5-Tris(tetraethylenoxy)benzoyl-Einheiten modifizierte POPAM-Dendrimere (Bild 6-17). Das innere Dendrimer-Gerüst ist aufgrund der tertiären Amino-Gruppen basisch, die Peripherie hydrophil. Die Einlagerung von Gästen wurde in gepuffertem wässrigem Medium bei pH 7 mithilfe zweier anionischer wasserlöslicher Xanthen-Farbstoffe erzielt. Konkret wurden jeweils Bengal Rose und 4,5,6,7-Tetrachlorfluorescein zum Wirt-Dendrimer titriert. In beiden Fällen ergab sich eine Verschiebung der Wellenlänge des Absorptionsmaximums in Richtung langwelliger Bereich (bathochrom), ein Hinweis auf eine Wechselwirkung zwischen Dendrimer-Wirt und Farbstoff-Gästen.[31]

230

6. (Spezielle) Chemische Reaktionen dendritischer Moleküle O

O

O O O

O

O

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O O

O

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O

O O

O

H

N

N

O

O O

O O

O

O

N

N

O

O

N

N

O

O

O

O

O

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N H

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O

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O

O H N

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O

O

O

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O N

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HN

O

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O

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O O

O

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O

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O

O O

O O

O

O

O

O O

O

O

O O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

Bild 6-17 POPAM-Dendrimer mit peripheren Oligo-ethylenglycolether-Einheiten (nach Meijer et al.)

Die mögliche Ausbildung von Nischen lässt sich auch für die Katalyse chemischer Reaktionen nutzen. In einem PAMAM-Dendrimer der vierten Generation eingelagerte PalladiumNanopartikel mit einem Durchmesser von 1.7 nm wurden als Katalysatoren für die via StilleReaktion ablaufende Kupplung von Halogen-Arenen mit Organo-Stannanen unter milden Bedingungen eingesetzt. Normalerweise verlaufen solche Kupplungen bei hohen Temperaturen und in organischen Lösungsmitteln. Des weiteren muss der gewöhnlich eingesetzte Katalysator aus einem Palladium(II)-Salz durch Reduktion zu Pd(0) gewonnen und mit PhosphinLiganden stabilisiert werden. Die im PAMAM-Dendrimer eingeschlossenen Pd-Nanopartikel erfordern dies nicht. Die derart „dendritisch“ katalysierte Stille-Kupplung verläuft in wässrigem Medium bei Raumtemperatur in guten Ausbeuten mit kleinsten Mengen Pd (0,1 Atom%) im Sinne einer „grünen Chemie“. Der kleine Durchmesser der Nanopartikel bewirkt ein hohes Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis, was für die hohe katalytische Aktivität wichtig ist.[32]

6.2 Supramolekulare (Wirt/Gast-)Wechselwirkungen

231

6.2.3.3 Gast-Einschluss durch dynamische Prozesse (Diffussion) Das nicht-kovalente Binden von Gästen im Inneren eines Dendrimer-Moleküls kann auch dynamisch erfolgen. In Micellen-artigen amphipilen Dendrimeren können Gäste via hydrophile oder hydrophobe Wechselwirkungen in das Innere des Dendrimer-Gerüsts hinein und hinaus diffundieren (Bild 6-18).

Bild 6-18 Ein- und Auslagerung von Gästen in Dendrimeren durch Diffusionsprozesse

Balzani, Vögtle et al. verfolgten am Beispiel Dansyl-„dekorierter“ POPAM-Dendrimere (siehe Kapitel 4, Bild 4-3) die Kinetik der Komplexierung von Metall-Ionen (Co2+, Cu2+).[33] Im ersten Schritt wechselwirken die Kationen mit dem Dimethylamino-Stickstoff der DansylEinheiten, was am Löschen von deren Fluoreszenz – bei hoher Ionen-Konzentration vollständig – zu erkennen ist (Bild 6-19 a). N

N

N

N

N

N

+ (Co2+ , Cu 2+)

N N

N

N

N

N

N N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N N

N

N

N

N

_

N

N

N

N

N N

N

N

N

N

N

N

N

N N

N

N N

Bild 6-19

N

N

N

N

N

N

N

N

N N

N N

N

a) Wechselwirkung von Metall-Ionen mit den Dimethylamino-Gruppen der peripheren Dansyl-Einheiten (als rote Ellipsen symbolisiert) eines POPAM-Dendrimers: Die ur-

232

6. (Spezielle) Chemische Reaktionen dendritischer Moleküle sprüngliche Dansyl-Fluoreszenz des Dendrimers wird – hier teilweise – gelöscht (hellgraue Ellipsen)

Bei mehrstündigem Stehenlassen solcher Lösungen kehrte die Fluoreszenz überraschend zurück. Als Ursache wird ein langsames Eindringen der Metall-Ionen ins Dendrimer-Innere – an die N-Atome des POPAM-Kerns angenommen, womit die fluoreszenten Dansyl-Einheiten wieder frei werden (Bild 6-19 b). N

N

N

N

N N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N N

N

N N

N

N

N

N

N N

N N

N

Bild 6-19 b) Die Kationen sind (nach einigen Stunden) von außen (Bild 6-19 a) ins Dendrimer-Innere gewandert: Die Fluoreszenz der Dansyl-Einheiten kehrt „von selbst“ zurück (nach Balzani, Ceroni, Vögtle et al.)

Selbstredend ist eine nicht-dendritische Monodansyl-amino-Verbindung als Referenzsubstanz nicht in der Lage, ein analoges Verhalten zu zeigen, da sie keine intramolekularen Nischen zum Einschluss von Kationen ausbilden kann. Insofern führen dendritische Architekturen zu spezifischen Eigenschaften, die ohne Verzweigungen nicht oder schwieriger erhältlich sind. Newkome et al. synthetisierten erstmals symmetrische, „quater-direktionale“ KaskadenMoleküle mit Kohlenwasserstoff-Gerüst, welches – im gleichen Abstand vom NeopentylKern – endständig 36 Carboxyl-Reste trägt (Bild 6-20a). Letztere wurden in die entsprechenden Ammonium- und Tetramethylammonium-carboxylate umgewandelt. Die Synthese dieser dendritischen „unimolekularen Micellen“ mit hydrophobem Kern und hydrophiler Schale erfolgte durch Kupplung eines dendritischen „Hyperkerns“ (aufgebaut aus dem Monomer 4,4-Bis(4’-hydroxyphenyl)pentanol und PEG-mesylat (PEG= Polyethylenglycol). Sie gelang bis zur vierten Generation. Als Gäste wurden Farbstoffe wie Chlortetracyclin, Phenolblau und Pinacyanolchlorid eingelagert (Bild 6-20b). Chlortetracyclin wurde in wässriger Lösung zur Tetramethylammonium-Kaskaden-Verbindung gegeben. Durch Fluoreszenz-Mikroskopie und -Photometrie wurde eine Absorption mit anschließender Fluoreszenz bei 520 nm nachgewiesen. Beide Komponenten – Wirt und Gast – getrennt zeigen keine Fluoreszenz. Werden sie gemischt, so nimmt die Fluoreszenz-Intensität mit steigender Konzentration der „Micella-

6.2 Supramolekulare (Wirt/Gast-)Wechselwirkungen

233

noate“ (anionische Kaskaden-Moleküle mit Micell-Charakter) linear zu. Da Chlortetracyclin nur in lipophiler Umgebung fluoresziert, muss eine Wirt/Gast-Wechselwirkung im Inneren des Kaskaden-Gerüsts stattgefunden haben.[34] b)

a)

Cl

NR4 NR4 NR4 O 2C O2C NR4 O2 C

CO 2

NR4 CO 2

NR4 CO2

NR4 CO 2 O 2C NR4 CO2

NR4 O2 C NR4 O2C NR4

N

CO 2 NR4

N CH3

NR4

CH3

Pinacyanolchlorid

CO 2 NR4 CO2 NR4

O 2C

CO 2 NR4

NR4 O C 2

CO 2 NR

4

Pyren CO2 NR4 CO 2 NR4 CO2 NR4 CO2 NR4

O 2C NR4 O 2C NR4

Me

N Me

O

Phenolblau

CO2 NR4

NR4

CO CO 2 2 NR4

CO 2 O 2C

NR4

NR4

NR4O2C

N

CO 2 O2 C NR4

CO2 NR

O 2C

O 2C NR4

CO2 NR4

MeO

COOH

NR4

CH3

N

4

O

NR4 Cl

R = H, CH3

Indometacin Me Cl HO

Me

Me N OH

HO O OH

O

OH

O

NH2

Chlortetracyclin

Bild 6-20 a) Quater-direktionales Kohlenwasserstoff-Kaskaden-Gerüst mit ionischer Peripherie und unimolekularem Micell-Charakter; b) Gastmoleküle (nach Newkome, Moorefield et al.)

Die Wirteigenschaften wurden außerdem durch Einlagerung von Pyren in wässriger Lösung eindrucksvoll demonstriert (Bild 6-20b). Auch das Einschleusen des anti-inflammatorischen (entzündungshemmenden) Wirkstoffs Indometacin gelang.[35] Spontane Selbstorganisation

234

6. (Spezielle) Chemische Reaktionen dendritischer Moleküle

von Fettsäure-Molekülen an der Peripherie von Amino-terminierten PAMAM-Dendrimeren der vierten Generation führt zur Umwandlung von deren Außenhülle mit ursprünglich hydrophilen Eigenschaften in eine hydrophobe Oberfläche – basierend auf der Bildung von Ionenpaaren zwischen den Carboxyl-Gruppen der Fettsäuren mit den endständigen Aminogruppen des Dendrimers. Letztlich liefert dies den Zugang zu seitenverkehrten micellaren Strukturen. Solche Verbindungen werden aus wässriger Lösung in ein nicht-polares Medium extrahierbar und können dabei hydrophile Gastmoleküle mitschleppen (PhasentransferProzess). Derartige Systeme sind außer für den Transport von Farbstoffen maßgeschneidert für katalytische Anwendungen, da so katalytisch aktive Metall-Nanopartikel in nichtpolaren Lösungsmitteln löslich werden. Die reversible Natur der Dendrimer/FettsäureWechselwirkung macht es außerdem möglich, den Katalysator bei pH 2 aus wässriger Lösung zu recyclieren.[36] Weitere Literatur über „dendritische Micellen“ siehe[37].

6.2.4 Dendrimere als Gastmoleküle POPAM-Dendrimere der ersten bis fünften Generation mit endständigen Adamantyl-Resten (Bild 6-21) wurden in Gegenwart von ȕ-Cyclodextrin in Wasser gelöst. Durch den hydrophoben Effekt werden die als Gäste fungierenden terminalen, lipophilen Adamantylreste in die komplementär passenden endo-lipophilen ȕ-Cyclodextrin-Wirthohlräume gedrängt. NH

NH

O NH

O

NH

NH

O H N

O

NH

NH NH O

N

H N

N H

N NH

O N

N

H N

H N

O

N

N

N H

NH

O N

N O

H N

HN N

N

O

N H

N

N

O N H HN

HN N

HN

N H

N

O HN HN

O

HN O

HN O HN

HN

HN O O

HN

=

Dendrimer

N H

N H

n = 4, 8, 16, 32, 64

Bild 6-21 POPAM-Dendrimere mit terminalen Adamantyl-Gasteinheiten zur Einlagerung in ȕ-Cyclodextrin-Wirthohlräume (nach Meijer und Reinhoudt et al.)

Die beste Löslichkeit dieser Dendrimere in wässriger Cyclodextrin-Lösung zeigte sich bei einem pH-Wert von 2, weil dann die Protonierung der tertiären Amino-Gruppen im Dendri-

6.2 Supramolekulare (Wirt/Gast-)Wechselwirkungen

235

mer-Inneren vollständig abgeschlossen ist und das Dendrimer wegen der gegenseitigen Abstoßung der positiven Ladungen eine gestreckte kugelige Gestalt annimmt. Bis zu einem pHWert ” 7 bleiben die Dendrimere in Lösung; mit Ausnahme der ersten Generation fallen sie unter basischen Bedingungen aus. Für das POPAM-Dendrimer fünfter Generation wurde gefunden, dass nicht mehr alle seine Adamantyl-Reste von den Cyclodextrin-Molekülen supramolekular umschlossen werden können, da hierzu der Platz auf der DendrimerAußenhülle wegen sterischer Überhäufung („steric overcrowding“) nicht ausreicht („supramolekulare starburst“-Situation). Mithilfe der fluoreszenten Sonde 8-Anilino-naphthalen-1-sulfonat (ANS) wurde auch nachgewiesen, dass solche hochlipophil substituierte Dendrimere ihrerseits wiederum als Wirtverbindung für ANS in Wasser fungieren. Die Bindung dieser fluoreszenten Sonde als Gast ist hauptsächlich elektrostatisch gesteuert und nimmt mit steigendem Generationsgrad der Dendrimere zu. Die unvollständige Besetzung der Oberfläche eines derartigen POPAM-Dendrimers der fünften Generation lässt hydrophobe Areale von nicht durch Cyclodextrine komplexierten Adamantyl-Einheiten auf der dendritischen Außenhülle frei.[38] Die Möglichkeit, dass dies in Wasser zu einer vom hydrophoben Effekt getriebenen Aggregation führen könnte, wurde durch Verwendung von Pyrenen als neutralen Fluoreszenz-Sonden untersucht.[39] Ihr Einschluss in das Dendrimer/Cyclodextrin-Aggregat bedingt Veränderungen in der FluoreszenzIntensität und der Schwingungs-Feinstruktur. Auch die Bildung von Excimeren war zu beobachten. Das kovalente Binden von Kohlenhydrat-Dendrons – durch Ausbildung von AmidBindungen – an einen Ferrocen-Kern beeinflusst Eigenschaften wie Wasserlöslichkeit und Redoxverhalten. Werden beispielsweise nur ȕ-D-Glucopyranosyl-Reste an den FerrocenKern geknüpft, so werden die hydrophoben redoxaktiven Ferrocen-Einheiten in Wasser an zugesetztes ȕ-Cyclodextrin gebunden. Dies führt zu einem Komplex bestehend aus Kohlenhydrat-basiertem Wirt und einem Kohlenhydrat enthaltenden (Ferrocenyl-)Gast. In solchen Komplexen ist der unsubstituierte Cyclopentadienyl-Ring der Ferrocen-Einheit zum Inneren des Wirthohlraums orientiert (Bild 6-22 rechts oben). Werden dagegen an beide Cyclopentadienyl-Fünfringe des Ferrocen-Kerns ȕ-D-Glucopyranosyl-haltige Reste geheftet, erfolgt verständlicherweise keine Komplexierung mehr.

236

6. (Spezielle) Chemische Reaktionen dendritischer Moleküle

R

O

O

H

R N

Fe H

+

N

D 2O

Fe

ECyclodextrin

OH OH OH O

OH OH

O

oder

OH OH

OH

1

O OH OH

OH R =

O

O O OH OH

OH OH

O O

2

OH

Bild 6-22 Einschluss ein- oder dreiarmiger Kohlenhydrat-Dendrons 1 bzw. 2 (grün) mit FerrocenKerneinheit als Gast in den Hohlraum des ȕ-Cyclodextrins (rot; nach Credi, Balzani, Raymo, Stoddart et al.; schematisch)

Quantitative elektrochemische Studien führten zu Informationen über die schützende Wirkung der Zuckerreste auf den Komplex. Die Anzahl der Substituenten am Amid-Stickstoff (ein oder zwei) und die Anzahl der im Substituenten enthaltenen (ein oder drei) Kohlenhydrat-Arme ist für Wechselwirkungen mit dem Lösungsmittel wichtig.[40] Von Klärner et al. wurden Wirt/Gast-Beziehungen zwischen einer aus kondensierten Kohlenwasserstoff-Arenen gebildeten Molekül-Pinzette und symmetrisch und unsymmetrisch Dendryl-substituierten Viologenen – mit als ʌ-Elektronen-Acceptor wirkendem 4,4'Bipyridinium-Kern und als ʌ-Elektronen-Donor wirkenden Fréchet-Typ-Dendrons – im Detail untersucht (Bild 6-23). Die starke Fluoreszenz der 1,3-Dimethylenoxybenzen-Einheiten der Fréchet-Dendrons wird infolge der Donor/Acceptor-Wechselwirkung gelöscht. In Dichlormethan-Lösung wird demnach der 4,4'-Bipyridinium-Kern als Gast in der – in Bild 6-23 gezeigten – molekularen Pinzette eingelagert. Dabei entstehen „Quasi-Rotaxane“ – mit nichtmakrocyclischem Reif.

6.2 Supramolekulare (Wirt/Gast-)Wechselwirkungen

237

R

R

R

R

n +

Gast

n

Gast

molekulare Pinzette

O

Gast

=

O

O

N N

O

Bild 6-23 Aufnahme eines dendritischen Gastmoleküls vom Viologen-Typ in den Hohlraum einer molekularen Pinzette (schematisch; nach Klärner et al.)

Fluoreszenz-Messungen und 1H-NMR-Titrationen ergaben, dass die Assoziations-Konstante (Größenordnung 104.M-1) mit steigendem Generationsgrad der Dendrons aufgrund zunehmender sterischer Wechselwirkungen abnimmt (Dendritischer Effekt, siehe auch Abschnitt 6.3). Jedoch sind die Bindungskonstanten für die unsymmetrisch substituierten Dendrimere höher als für die entsprechenden symmetrisch substituierten gleichen Generationsgrads. NMR-Absorptionen von Wirt- und Gast-Protonen belegen, dass der Bipyridinium-Kern jeweils ganz in den Hohlraum (Spalt) der Pinzette eingelagert ist. Außerdem pendelt die Pinzette von einem Pyridinium-Ring des Viologen-Gastmoleküls zum anderen – und umgekehrt. Im Falle der mono-substiutierten Viologene wird in apolaren Lösungsmitteln vorzugsweise der weniger substituierte Pyridinium-Ring in die Pinzette aufgenommen. Die Komplexierung des Bipyridinium-Kerns verläuft je nach Größe des Hohlraums (bzw. Spalts) der Pinzette und der Dendrons unterschiedlich: Durch Klammern (clipping, bzw. tweezering) bei symmetrischen Viologenen mit voluminösen Dendron-Substituenten, jedoch via Durchfädeln (threading) für unsymmetrisch substituierte Viologene mit wenigstens einem hinreichend kleinen Dendron. Auch biologisch relevante kationische Gäste lassen sich mit maßgeschneiderten Pinzetten dieses Typs selektiv binden.[41, 42]

6.2.5 Dendritische Sperrgruppen (in Rotaxanen) Zum Bereich der Reversibilität in der Supramolekularen Chemie kann auch – wie am Schluss des vorstehenden Abschnitts schon angeklungen – der Einsatz von Dendrons als Stopper von Rotaxan-Achsen gezählt werden. Wegen des fast beliebig voluminös einstellbaren dendriti-

238

6. (Spezielle) Chemische Reaktionen dendritischer Moleküle

schen Gerüsts kann ein maßgeschneiderter Raumbedarf erzielt werden, der ein Abfädeln eines Reifs von der Achse des Rotaxans mehr oder weniger erschwert (Bild 6-24). Mit klassischen raumfüllenden Resten wie beispielsweise Mesityl-, 2,6-Di-tert-butylphenyl- oder Trityl-Gruppen lassen sich ähnlich sperrige, diffizil variierbare und zudem löslichkeitsfördernde Stopper kaum erhalten. Da Dendrons und Dendrimere aus überwiegend aliphatischen Bausteinen flexibel und weich und damit schwierig abzuschätzen sind, war es wichtig, einen effektiven Raumbedarf von Dendrons zu messen. Bei Einsatz von Fréchet-Dendrons der ersten Generation (G1) konnte schon bei der Synthese nur die freie Achse, nicht aber das Rotaxan isoliert werden: Die sterischen Ansprüche der G1-Dendrons waren nicht ausreichend, um ein Abfädeln des Reifs (Tetralactam-Ring 1 in Bild 6-25) von der Achse zu verhindern.[43] Rotaxane mit Stoppern des Fréchet-Typs 3 der zweiten (G2) und dritten Generation (G3), mit jeweils einem gegenüberliegendem Tritylphenol-Stopper T1 (2 in Bild 6-25), fädeln den Reif erst beim Erhitzen, und dann über den T1-Stopper ab, da der Raumbedarf der zweiten und dritten dendritischen Stopper-Generation größer ist.

O

+

SN

Br

Bild 6-24 Synthese eines Rotaxans (schematisch) mit dendritischem Stopper (Kegel) und Tritylphenol-Stopper (Kugel). SN = nukleophile Substitution. Die grauen Pfeile deuten das Abfädeln des Reifs (rote Ellipse) – wahlweise nach rechts oder links – von der Achse über einen der beiden Stopper hinweg an, wobei der – weniger Widerstand entgegensetzende – insgesamt weniger voluminöse Stopper favorisiert wird. Konkrete Bauteile siehe Bild 6-25 (nach Vögtle et al.)

Wird der Tritylphenol-Stopper nochmals durch drei tert-Butylreste in seinen sterischen Ausmaßen vergrößert (T2 in Bild 6-25), so erfolgt die Abfädelung der Tetralactam-Reifs 1 über den dendritschen Fréchet-Stopper G2, da der T2-Stopper jetzt räumlich anspruchsvoller ist. In weiteren Versuchen wurden nur dendritische Stopper der zweiten Generation – auf jeder Seite der Achse – eingesetzt; auch hier erfolgte Abfädelung, die mittels KernresonanzSpektroskopie (s. Kapitel 7.3) verfolgt werden konnte. Unterschiedliche Generationen (G2, G3) als Stopper auf beiden Seiten ein und desselben Rotaxans ergaben, dass die Abfädelung erwartungsgemäß über den kleineren Stopper der zweiten Generation erfolgt (Dendritischer Effekt, siehe folgender Abschnitt 6.3.

6.2 Supramolekulare (Wirt/Gast-)Wechselwirkungen

O

239

O R NH

NH

R

HO NH

HN

O

O R

1

2

R = OH: (T1) R = tBu: (T2)

O

O

O

R

O

O

O

3

R = CH2Br, OH: (G2)

Bild 6-25 Bauteile für Rotaxane nach Bild 6-24: Tetralactam-Reif 1; in der Größe – in gewissen Grenzen – variable klassische Tritylphenol-Stopper 2; Fréchet-Stopper 3 der Generation G2 (nach Vögtle et al.)

240

6. (Spezielle) Chemische Reaktionen dendritischer Moleküle

Anhand der Ergebnisse ließ sich insgesamt folgende empirische Reihenfolge des Raumbedarfs sterisch anspruchsvoller Substituenten aufstellen: G1 < T1 < G2 < T2 < G3

6.3 Dendritische Effekte Am Ende des vorstehenden Abschnitts wurden messbare Auswirkungen des mit der Generationszahl zunehmenden Raumbedarfs dendritischer Reste registriert. Auch an anderen Stellen dieser Monographie wurde schon öfters auf Dendritische Effekte hingewiesen. Es verwundert nicht, dass über zahlreiche weitere Konsequenzen hinsichtlich der physikalischen und chemischen Eigenschaften von Dendrimeren aller Art – in Abhängigkeit von der Generation des Dendrimers oder Dendrons – berichtet wurde, über die im folgenden – unseres Wissens erstmals – ein Überblick gegeben sei. Unter dem Begriff Dendritischer Effekt[44] wird eine Vielzahl von diversen chemischen und physikalischen Effekten verstanden, denen gemeinsam ist, dass eine Änderung bestimmter Eigenschaften oder Phänomene mit Zu- oder Abnahme des Generationsgrads innerhalb einer Dendrimer-Familie eintritt. Je nachdem, ob der beobachtete Effekt verstärkt oder vermindert wird, spricht man von einem positiven bzw. negativen Dendritischen Effekt.

6.3.1 Dendritischer Effekt beim Einschluss von Gästen Bereits bei dem oben (Abschnitt 6.2.4) beschriebenen Einschluss dendritischer Viologene in molekulare Pinzetten war ein Dendritischer Effekt zu verzeichnen. Untersuchungen dieser Wirt/Gast-Systeme in der Gasphase ergaben, dass stabile 1:1 Komplexe mit den dikationischen dendritischen Viologenen vorliegen (Bild 6-26). Der dikationische Gast – in isolierter Form wenig stabil – wird dabei von der Elektronen-reichen Pinzette durch Donor/Acceptor(Charge-Transfer-)Wechselwirkungen stabilisiert. In Stoßexperimenten zeigte der Zerfall der Komplexe mit Dendrons der nullten bis zweiten Generation jeweils unterschiedliche Fragmentierungsmuster. Mit steigendem Generationsgrad können dendritische Substituenten den Viologen-Kern durch intramolekulare Solvatisierung offenbar besser stabilisieren: Durch die Möglichkeit der größeren, konformativ flexiblen und Elektronen-reichen Dendrons, sich nach innen zu falten, wird das Dikation umhüllt. Kleinere Dendrons können dagegen das Viologen-Kation kaum ummanteln und daher weniger gut stabilisieren.[42]

6.3 Dendritische Effekte

241

OAc N N AcO

3

O

O

=

O

O O

N

O

OAc

O

N

O

O

O

O

O

OAc

4 1 Bild 6-26 Molekulare Pinzette 1 als Wirtverbindung und dikationische, dendritisch substituierte Viologen-Gastverbindungen (3 und 4) unterschiedlicher Generationszahl (nach Balzani, Klärner, Vögtle et al.)

Eine Generations-Abhängigkeit wurde auch bei PAMAM-Dendrimeren hinsichtlich der Permeabilität von Gästen unterschiedlicher Größe gefunden. In der vierten Generation mit 64 terminalen Gruppen und einem Durchmesser von ca. 4,5nm (zum Vergleich: G1 ca. 2nm, G10 ca. 13nm) nehmen die Dendrimere eine annähernd kugelige Form an. In der achten Generation beträgt die Zahl der endständigen Gruppen bereits 1024, wohingegen sich der Durchmesser des Dendrimers nur in etwa verdoppelt. Dies führt zu einer zunehmenden Verdichtung der Dendrimer-Oberfläche. Der Raum zwischen den einzelnen Gruppen an der Peripherie nimmt also mit dem Generationswachstum ab. Deshalb ist das Passieren von kleineren und größeren Gastmolekülen durch PAMAM-Moleküle bis zur vierten Generation problemlos möglich. Die sechste Generation lässt jedoch nur noch eine Permeabilität für kleine Gastmoleküle zu. Ein übliches PAMAM-Dendrimer der achten Generation ist schließlich so verdichtet, dass Gastmoleküle nicht mehr in das Molekül-Innere dringen können.[45]

6.3.2 Dendritische Effekte in der Katalyse Der Ausdruck „Dendritischer Effekt“ wird inzwischen allgemein zur Charakterisierung Generations-abhängiger physikalischer und chemischer Phänomene bei Dendrimeren verwendet. Beispiele für Dendritische Effekte lassen sich auch aus dem Bereich dendritscher Katalysatoren anführen.[46] Die Möglichkeiten solcher, zum Beispiel an der Peripherie geeignet funktionalisierter Dendrimere wurden schon 1994 von Tomalia und Dvornic diskutiert.[47] Derartige Nano-Moleküle könnten die Vorteile von homogenen und heterogenen katalytischen Systemen in sich vereinen. Darüber hinaus ermöglicht ihre sphärische Gestalt in der Regel eine bessere Rückgewinnung – vom organischen Katalysator-Träger, dessen Metallkomplex oder eingeschlossenen Katalysator-Partikeln – als bei löslichen katalytischen Systemen auf Polymerbasis. Von Interesse ist daher, wie sich für katalytische Reaktionen wichtige Aspekte – z.

242

6. (Spezielle) Chemische Reaktionen dendritischer Moleküle

B. die Enantioselektivität, katalytische Aktivität, Stabilität entsprechender Metall-Komplexe – durch dendritische Strukturen modifizieren lassen. In manchen Fällen wurde schon ein Zusammenhang zwischen den genannten Parametern und der Generation der Dendrimere festgestellt. Dendritische Katalysatoren haben in einigen Fällen sogar eine höhere Aktivität als vergleichbare nicht-dendritische gezeigt (s. Kapitel 8.2). Im folgenden werden einige Beispiele aus der Vielzahl dendritischer Katalysatoren zusammengestellt und etwas näher betrachtet. Auch wenn einige davon schon an anderen Stellen des Buches in anderem Zusammenhang beschrieben sind, seien hier – wegen der überragenden Bedeutung der Katalyse in der gesamten Chemie – die wichtigsten anhand repräsentativer Formeln und mit ausschließlichem Bezug auf dieses Forschungs- und Entwicklungsgebiet nochmals aufgeführt.

6.3.2.1 Metall-haltige dendritische Katalysatoren Ein Zugang zu katalytisch wirksamen Substanzen mit mehreren Metallzentren gelang mit Übergangsmetall-Komplexen N,C,N-chelatisierender Liganden und deren Fixierung an der Peripherie von Carbosilan-Dendrimeren. So wurden entsprechende Nickel-Komplexzentren direkt an Siliziumatome der Dendrimer-Oberfläche fixiert (Bild 6-27). Die Herstellung solcher „Nickel-Dendrimere“ erfolgte durch Poly-Lithiierung eines Carbosilan-Liganden und darauffolgende Transmetallierung mit [NiCl2(PEt3)2]; allerdings wurden bei diesem Verfahren nicht alle Ligandzentren metalliert. Dieses katalytische System wurde bei gleicher NickelKonzentration unter Variation der Dendrimer-Größe im Hinblick auf seine Redox-Aktivität in der Kharasch-Addition von Tetrachlorkohlenstoff an Methylacrylat geprüft.[48]

Si

NMe2

Me Si Me

Ni Cl

H Si Me

Si

NMe2

Me Si Me

Ni Cl

NMe2

NMe 2 4

1

Si

Si

2

4

2

Me Si Me

Me Si Me

NMe2

NMe2

3

NMe2

Me Me Si Me

Ni Cl 3

Ni Cl NMe2

4

4

Bild 6-27 Nickel-beladene Carbosilan-Dendrimere 1-3 zunehmender Generationszahl (G0-G2) und entsprechende nicht-dendritische Referenzsubstanz 4

6.3 Dendritische Effekte

243

Die mit zunehmendem Generationsgrad entgegen den Erwartungen beobachtete Abnahme der katalytischen Aktivität wurde damit erklärt, dass der wachsende Raumanspruch der vermehrt an der Dendrimer-Peripherie gebundenen Nickelkomplex-Einheiten den Zugang zu deren aktiven Zentren mehr und mehr vermindert (s. Bild 6-28).

bivalenter Zwischenkomplex: C2Cl6

Me2 Cl N Ni II

2 CCl3

(NiIII-Bildung)

Cl

Cl III

NMe2

Ni

+ CCl3

NMe2 Me2N

CCl4

Me Me

Si

Si

Me

Me2 N

Cl

NMe2 Cl

III

Ni

Ni II

Me

Dendrimer

Me

Me2N

(Hemmung)

Me

Si Me

Si Me

NMe2

Bild 6-28 Zum Desaktivierungs-Mechanismus der katalytischen Aktivität auf der CarbosilanDendrimer-Oberfläche (schematisch; nach van Koten et al.)

Die Abnahme der katalytischen Aktivität der in Bild 6-28 gezeigten nickelhaltigen Carbosilan-Dendrimere wurde durch die Bildung von Mischkomplexen mit Nickel beider Oxidationsstufen II und III an der Dendrimer-Oberfläche begründet, die in Konkurrenz zur Reaktion mit bei Kharash-Reaktionen auftretenden Substrat-Radikalen steht (Bild 6-29).

Si

Si

Me Si Me

NMe2 Ni Cl NMe2

Si 3

4

Si

Si

Me Si Me

NMe2 Ni Cl NMe2

3 3

Bild 6-29 Dendritische Carbosilan-Nickel-Komplexe mit abnehmender katalytischer Aktivität aufgrund von Mischkomplex-Bildung

4

244

6. (Spezielle) Chemische Reaktionen dendritischer Moleküle

Mit Bis(oxazolin)-Metallkomplexen können Diels-Alder-Reaktionen zwischen Cyclopentadien und Crotonylimid (Bild 6-30) katalysiert werden. Ein dendritischer Kupfer(II)Katalysator wurde durch Mischen entsprechender dendritischer Liganden (jeweils unterschiedlicher Generation) und Kupfer(II)triflat im Verhältnis 1:1 in wasserfreiem Dichlormethan hergestellt. Erwartungsgemäß beanspruchten die dendritischen Liganden höherer Generationen längere Zeit (hier 3-5 Stunden für G2, G3) für die vollständige Komplexierung als solche niedrigerer Generation (1,5 Stunden).

BnO

OBn

O

O N

+

Cu (OTf)2

O

O N

N

O

O

N

O

O

Dien

Dienophil

Bild 6-30 Diels-Alder-Reaktion, katalysiert durch einen – nicht dendritischen – Bis(oxazolin)Metallkomplex (nach Chow et al.)

Als dendritische Bis(oxazolin)-Liganden wurden solche nullter bis dritter Generation wie in Bild 6-31 gezeigt verwendet. Sie wurden aus zwei Komponenten aufgebaut, der katalytischen Kerneinheit bestehend aus dem Bis-Oxazolin und dem Dendron aus Polyether-Einheiten.[49] Es zeigte sich, dass die katalytische Reaktivität und das Substratbindungs-Profil von der Größe und Generation der Dendrons abhängen. Da die Reaktionen einer Michaelis-MentenKinetik gehorchen, wurde diese Katalysator-Familie mit Blick auf Enzyme „Dendrizyme“ getauft. Die Dendrizym/Substrat-Bindungskonstante nimmt mit zunehmender Generationszahl des Dendrizyms ab. Diese Destabilisierung wird wahrscheinlich durch die zunehmende Verformung des Komplexes verursacht – als Ergebnis ansteigender sterischer Abstoßung zwischen den Dendrons höherer Generation (Bild 6-32). Die Geschwindigkeitskonstante der Diels-Alder-Reaktion bleibt zwar von der nullten bis zweiten Generation annähernd gleich, sinkt aber „plötzlich“ für die dritte Generation. Der Geschwindigkeits-bestimmende Schritt ist die Diels-Alder-Addition zwischen dem Katalysator/Dienophil-Komplex und dem Cyclopentadien; die Reaktionsgeschwindigkeit sollte jedoch durch die sterische Zugänglichkeit von Katalysator-Nischen bestimmt werden.

6.3 Dendritische Effekte

245

O

ArO

OAr

O O

O

O

O

OAr

OAr

OAr ArO O

O N

O

O

O

O

O

O N

N

1 (G0)

N

2 (G1) OR

OR

OR

OR

O

O

O

O

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OR

RO

O

RO

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

OR

O

O

O N

N

3: R = Ar 4: R =

ArO

O

O

OAr

(G2)

Bild 6-31 Katalytisch-wirksame dendritische Bis(oxazolin)-Liganden 2-4 und Referenz-Verbindung 1 für die Diels-Alder-Katalyse (nach Chow et al.)

Der abrupte Abfall der Reaktionsgeschwindigkeit des Dendrizyms der dritten Generation weist darauf hin, dass die katalytischen Zentren nur für G0 bis G2 zugänglich sind, durch die dendritische Umhüllung der dritten Generation jedoch abgeschirmt werden.

246

6. (Spezielle) Chemische Reaktionen dendritischer Moleküle

O

O N

N Cu

Cu

N O

N O

Bild 6-32 Zunehmende sterische Abschirmung der Katalysezentren im Dendrizym beim Übergang zu höheren Generationen (schematisch; nach van Koten et al.)

Die gegenseitige sterische Abstoßung der großen Dendrons (Bild 6-32) kann so schwerwiegend sein, dass sie sich auf die Gegenseite, also zum katalytischen Zentrum selbst hin ausdehnen, um ihre Überlappung zu mindern. Dieser Rückfaltungsprozess wirkt sich in einer Abnahme der sterischen Zugänglichkeit der katalytisch wirksamen Metallzentren aus. Die katalytischen Eigenschaften des bereits in Kapitel 4.2.3.2 (Bild 4-70) angesprochenen dendritischen BINOL-Liganden (S)-1 (Bild 6-33) bei der katalytischen stereoselektiven Reaktion von Benzaldehyd mit Diethylzink wurden mit denjenigen von unsubstituiertem (S)BINOL selbst (4) als Liganden verglichen.[50] Es zeigte sich, dass der von (S)-1 mit Diethylzink gebildete Komplex eine weit höhere katalytische Aktivität aufweist als die Vergleichssubstanz, jedoch ist in beiden Fällen der Enantiomeren-Überschuss (ee) niedrig: 5 mol% von (S)-1 in Toluol erzielen 98,6% Umsatz von Benzaldehyd, unter den gleichen Bedingungen werden mit (S)-BINOL nur 37% erreicht. Der Diethylzink-Komplex von dendronisiertem BINOL ist somit stärker Lewis-sauer als der von (S)-BINOL selbst. Während letzterer ZinkKomplex wahrscheinlich als Aggregat, über intermolekulare Zn-O-Zn-Bindungen verbrückt vorliegt, wodurch die Lewis-Aktivität des Zink-Zentrums reduziert wird, bildet der von (S)-1 abgeleitete Zink-Komplex keine Oligomere. Die sperrigen und vergleichsweise starren dendritischen Arme verhindern dies, lassen aber kleine Moleküle wie Diethylzink und Benzaldehyd in das Ligand-Innere vordringen. Beim Übergang zu Ti(O-iPr)4 als Lewis-Säure erwies sich (S)-1 als hoch enantioselektiver Ligand: 20 mol% (S)-1 und 1,4 eq. Ti(O-iPr)4 liefern bei der Reduktion von 1-Formylnaphthalen mit Diethylzink innerhalb von 5 h 100% Umsatz und einen ee von 90:10. Im Vergleich zu (S)-BINOL zeigen sich hier keine nennenswerten Unterschiede in den katalytischen Eigenschaften, was auf die – wahrscheinlich monomer vorliegenden – strukturell ähnlichen katalytisch aktiven Spezies für beide Liganden zurückgeführt wurde.

6.3 Dendritische Effekte

247

OH OH

OH OH

1

OH OH

3

OH OH

2

4

Bild 6-33 Optisch aktive Dendrimere und BINOL 4 (nach Pu et al.) Verwandte Liganden für die Katalyse, nämlich mit Fréchet-Dendrons substituierte BINAPLiganden (5, Bild 6-34) stellten Chan et al. her.[51] Diese bilden in situ-Ruthenium(II)Komplexe, deren Aktivität bei der stereoselektiven Hydrierung von 2-[p-(2-Methylpropyl)phenyl]acrylsäure untersucht wurde. Ph

Ph

O

O

O Ph Ph

O

O

O O

O

NH

HN O

O

O

O

Ph2 P P Ph2 O

n

O

n

Ph

Ph n = 0,1,2

5

Bild 6-34 Dendritische BINAP-Liganden (nach Chan et al.)

Ph Ph

248

6. (Spezielle) Chemische Reaktionen dendritischer Moleküle

Im Gegensatz zu manchen anderen dendritischen Katalysatoren nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit der „Dendron-bewehrten“ BINAP-Katalysatoren mit zunehmender Generation zu. Während der unsubstituierte Ru(BINAP)-Katalysator einen ee von 89,8:10,2 – bei einer Umsatzzahl (turn over number; TON ) von 6,3 h-1 und einem Umsatz von 10,2% – aufwies, stieg der ee für den G0-Dendron-Katalysator auf 91,8:8,2 (bei ähnlichen TON und vergleichbarem Umsatz). Beim Übergang zu höheren Generationen blieb der ee relativ konstant, dafür stiegen der Umsatz auf bis zu 69,3% und die TON auf bis zu 21,4 h-1. Dieser deutliche Dendritische Effekt ist auf den sterischen Einfluss der Dendrons auf den Diederwinkel der beiden Naphthalen-Einheiten des Ru(BINAP) zurückzuführen; er hat somit eine höhere Geschwindigkeit und bessere ee der Reaktion zur Folge.[52] Durch Ausfällen und Filtration konnte der G3-Ligand wieder zurückgewonnen und mit ähnlicher Aktivität und Enantioselektivität weitere drei Male zur Katalyse eingesetzt werden. Verwandte verzweigte Katalysatoren mit BINOL-Ligandeinheiten an der Peripherie wurden von Chow und Wan untersucht (Bild 6-35),[53] nachdem Modellstudien ergeben hatten, dass die katalytischen Zentren so weit von einander entfernt liegen sollten, dass keine intramolekulare Interaktion zu befürchten war.

Hex Hex

O Al O

O O Al Cl

Hex O Al O

6

Cl Hex O O Al Cl

Hex O Al O

Cl

Cl

Al O O

Hex

Hex Cl Cl

O O Al Cl

Al O O

Cl

Hex

O O Al Cl

Al O O

Hex Hex

7

8

Bild 6-35 BINOL-Katalysatoren (nach Chow und Wan)

Messungen der molaren Drehwerte ergaben, dass diese annähernd proportional zur Anzahl der chiralen Binaphthyl-Einheiten ausfallen und der molare Drehwert pro einzelner Binaphthyl-Einheit nur gering schwankt. Bei der Katalyse der Diels-Alder-Reaktion von Cyclo-

6.3 Dendritische Effekte

249

pentadien mit 3-[(E)-But-2-enoyl]oxazolidin-2-on zeigten die verzweigten Katalysatoren 7 und 8 zwar eine um ca. 25% höhere Reaktivität als der monofunktionale Katalysator 6, jedoch bewirkten erstere nur eine geringe Verbesserung der ee und der endo-Selektivität gegenüber 6. Somit kann hier nicht von einem Dendritischen Effekt in der Katalyse, wohl aber von einem bezüglich chiroptischer Eigenschaften die Rede sein. Einen dendritischen Katalysator 9, der wie 7 und 8 über einen chiralen Metall-Komplex als Kern verfügt, synthetisierten Seebach et al..[54, 55] Als Kernbaustein fungierte Į,Į,Į’,Į’Tetraaryl-1,3-dioxolan-4,5-dimethanol (TADDOL), an welches sowohl chirale als auch achirale Dendrons und solche mit peripheren Octyl-Gruppen geknüpft wurden (Bild 6-36, vgl. Kapitel 4.2.3, Bild 4-62).

O

O

O

O

O

O

O

OH

O

OH

O

O

O

O O

O

9

Bild 6-36 Dendritischer TADDOL-Ligand (nach Seebach et al.)

Die entsprechenden dendritischen Titan-TADDOL-Komplexe mit entweder chiralen oder achiralen Dendrons erzielten als homogene Katalysatoren bei der asymmetrischen reduktiven Alkylierung von Benzaldehyd mit Diethylzink zu sekundären Alkoholen EnantiomerenÜberschüsse (ee) von bis zu 98,5:1,5 bei einem Umsatz von 98,7% (für den Katalysator mit G0-Dendrons). Bei größeren Dendrons hielt sich die Verringerung der ee auf 94,5:5,5 (G4) in Grenzen, während der Rückgang des Umsatzes auf 46,8% (G4) drastisch ausfällt. Im Vergleich hierzu lieferte der unsubstituierte Ti-TADDOL-Komplex einen ee von 99:1 bei vollständigem Umsatz. Dieser negative Dendritische Effekt bei fortschreitendem DendronWachstum ist auf die zunehmende Abschirmung des katalytischen Zentrums durch die sterisch anspruchsvoller werdenden Dendrons zurückzuführen (Abschirmungseffekt, engl. shielding-effect). Somit wird die Zugänglichkeit des katalytischen Zentrums für die umzusetzenden Substrate erschwert und der Umsatz geht zurück. Unabhängig von An- oder Abwe-

250

6. (Spezielle) Chemische Reaktionen dendritischer Moleküle

senheit chiraler Informationen in den Dendrons wurden nahezu gleiche ee-Werte erhalten. Eine zusätzliche chirale Induktion, vermittelt durch die Dendrons, bleibt also – wegen des großen Abstands zwischen Metall-Zentrum und zusätzlichen chiralen Bausteinen – aus. Cobalt-Komplexe dendritischer Phthalocyanine (Bild 6-37) zeigten als Katalysatoren für die Oxidation von 2-Mercaptoethanol eine um 20% niedrigere katalytische Aktivität (TON 339 min-1 für G2-Dendrons) als nicht-dendritische Phthalocyanine.[56] Im Gegenzug erwiesen sich die dendritischen Katalysatoren jedoch als stabiler als die nicht-dendritischen, was wohl auf die Umhüllung der Metallo-Phthalocyanin-Kerneinheit durch die Dendrons zrückzuführen ist. Diese verhindert auch eine molekulare Aggregation der Phtalocyanine in polaren Lösungsmitteln und dünnen Filmen. Ein mit Poly-(N-isopropylacrylamid) (PIPAAm) (siehe Kapitel 4.1.2) funktionalisiertes Poly(propylenamin)-Dendrimer (11, Bild 6-37) wurde als dendritischer Wirt für anionische Cobalt(II)-phthalocyanin-Komplexe (a, b) als Gäste eingesetzt, die also supramolekular (elektrostatische und hydrophobe Wechselwirkungen) aneinander gebunden sind.[57] Diese dendritischen Komplexe wurden als Katalysatoren in der oben genannten Oxidation von Thiolen untersucht, wobei sie eine bemerkenswerte Temperaturabhängigkeit zeigten: oberhalb von 34°C erhöht sich die Reaktionsgeschwindigkeit schlagartig. Ein Erklärungsversuch geht davon aus, dass oberhalb der kritischen Löslichkeitstemperatur (Lower Critical Solubility Temperature, LCST) die dendritischen Arme phasensepariert und kontraktiert sind. Bei dieser Temperatur ist das Phthalocyanin-Komplexzentrum besser zugänglich für Substrate und daher die Reaktionsgeschwindigkeit höher. R

R

O

R

O

R

PIPAAm

O

R

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R

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O

NH

POPAM

O

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O

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N N

N

11 (Wirt)

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N

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N O

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O

R'

O

O

N

O

O

NH

R O

HN O

R R

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R

O

10

a: R' = COO

N

b: R' = O(CH2)2N (CH3)3

HN

N

R O

N

N

N R

R'

(Gast)

R'

Bild 6-37 Dendritische Phthalocyanine 10 und supramolekulares Wirt-Gast-System 11a,b (nach Kimura et al.)

Moore und Suslick führten „formselektive Katalysen“ mit Metallo-Porphyrinen 12 durch, an die sterisch anspruchsvolle Polyester-Dendrons (a, b, Bild 6-38) geknüpft waren.[58, 59]

6.3 Dendritische Effekte

251

RO

O

OR

O

O

O O

RO

a

OR

N Cl N Mn N

N

OR

RO

O

RO

OR

O

O O

O O

O

O

12

O O

O

O

O

b Bild 6-38 Metallo-Porphyrin-Dendrimere (nach Moore, Suslick et al.)

Sie untersuchten den Einfluß der Größe der Metallo-Dendrimere auf die Substrat-Selektivität für zwei Typen katalytischer Epoxidations-Reaktionen mit Iodosylbenzen als SauerstoffLieferanten und verschiedenen Alkenen als Substrat. Die dendritischen wurden mit denen konventioneller Porphyrin-Komplexe (mit Magnesium als Zentral-Ion) verglichen. Dabei wurde mit steigender Größe des Metallo-Dendrimers eine deutliche Erhöhung der (Regio-) Selektivität für externe und somit weniger gehinderte Doppelbindungen gegenüber internen (stärker gehinderten) festgestellt. Außerdem zeigten die dendritischen Katalysatoren eine stärkere Affinität zu Elektronen-reichen Alkenen. Darüber hinaus wurde gefunden, dass die Metallo-Porphyrine mit wachsender Generation zunehmend stabiler gegenüber Oxidationen werden, was sich insofern positiv auf die Katalyse auswirkt, als die Umsatzzahlen pro Metallatom steigen. Sogar unter Bedingungen für Epoxidations-Reaktionen waren nach 1000 Reaktionszyklen weniger als 10% des Katalysators desaktiviert. Aus obigen Beispielen wird deutlich, dass aufgrund der zunehmend stärkeren Abschirmung des katalytischen Zentrums mit fortschreitender Dendron-Größe dendritische Katalysatoren mit katalytisch aktiven Zentren an der Peripherie das überzeugendere Katalysator-Konzept gegenüber solchen mit katalytisch aktivem Zentrum im Dendrimer-Kern darstellen sollten. Als an der Peripherie mit einer Art Pinzetten bewehrt präsentierten Reetz et al. ein auf DAB (1,4-Diaminobutan) basierendes Poly(propylenamin)-Dendrimer, dessen Zweigenden mit Diphenylphosphin-Gruppen funktionalisiert sind (Bild 6-39, weitere Phospho-Dendrimere siehe auch Kapitel 4.1.10)[60] Ein entsprechender dendritischer [PdMe2]-Komplex wurde als Katalysator für die Heck-Reaktion[61] von Brombenzen mit Styren zu Stilben geprüft. Bemerkenswerterweise erwies sich die Aktivität dieses dendritischen Katalysators als höher als jene des nicht-dendritischen Analogons. Für das Dendrimer dritter Generation 13b wurden Wechselzahlen (TON) von 54 h-1 gegenüber 16 h-1 für den klassischen Katalysator ermittelt. Eine

252

6. (Spezielle) Chemische Reaktionen dendritischer Moleküle

Abhängigkeit der TON von der Generation des Dendrimers wurde nicht berichtet. Das dendritische Gerüst wirkt sich in der homogenen Katalyse positiv auf die KatalysatorStabilität aus, da sich der Katalysator im Gegensatz zu bisherigen Systemen nicht nennenswert unter Freisetzung von elementarem Palladium zersetzt. Me Pd Ph2P

Me Me PPh2

Pd Ph2P

N

Me PPh2

Ph2 Me P Pd

N

Me N

PPh2

N Ph2 Me P Pd

N N

POPAM

13

Me N

PPh2

n

13a = G2-(PNP.PdMe2)8 13b = G3-(PNP.PdCl2)18

Bild 6-39 Phosphin-Dendrimer-Katalysator (nach Reetz et al.)

Bei den von Breinbauer und Jacobsen hergestellten dendritischen [Co(Salen)]-Komplexen dient wieder das Dendrimer als – kovalentes – Trägermaterial für die an der Peripherie angehefteten katalytischen Einheiten[62] Diese dendritischen Jacobsen-Katalysatoren wurden durch Umsetzen der entsprechenden PAMAM-Dendrimere mit Aktivester-Derivaten chiraler [Co(II)-(Salen)]-Einheiten nach standardisierten Peptid-Kupplungsmethoden gewonnen. Das Dendrimer 14 (Bild 6-40) zeigte bei der „hydrolytischen kinetischen Auflösung“ von Vinylcyclohexanoxid eine drastisch gesteigerte Reaktivität verglichen mit dem kommerziell erhältlichen „monomeren Jacobsen-Katalysator“.[63-67] Während man mit letzterem lediglich einen Umsatz von weniger als 1% mit einem nicht mehr ermittelbaren ee erzielte, wurde mit 14 ein Umsatz von 50% bei einem ee von 98:2 erhalten.

6.3 Dendritische Effekte

253

tt

Bu

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N O I Co N O

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Bu

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Bu

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N N Co O I O

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N H

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Bu

t

Bu

14

Bild 6-40 Dendritischer 8-Co-PAMAM-Katalysator 14

Um die Ursache für die beobachtete Geschwindigkeitserhöhung zu ergründen, wurden sowohl das Monomer 15 mit einem repräsentativen Rest für die Verknüpfungsstellen der katalytischen Einheiten im Dendrimer als auch die „dimere“ Modellverbindung 16 synthetisiert, welche die „Nachbarschaftsbeziehung“ zweier katalytischer Einheiten innerhalb des Zweiges eines PAMAM-Dendrimers „nachahmt“ (Bild 6-41). Beim katalytischen Einsatz zeigte sich, dass die dendritischen Katalysatoren wesentlich reaktiver waren als der monomere Komplex. Darüber hinaus wiesen die dendritischen Katalysatoren auffallend höhere katalytische Aktivitäten auf als die dimere Modellverbindung.

254

6. (Spezielle) Chemische Reaktionen dendritischer Moleküle

O

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N

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O

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N Co

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I

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15

N Co

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I

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16

M

M O

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Dendrimer Nu

M M

17

Bild 6-41 Möglicher kooperativer Effekt zwischen den Salen-Einheiten des dendritischen Katalysators 17 sowie monomere (15) und dimere Modell-Substanzen (16); M symbolisiert das Metallzentrum, die (roten) Ellipsen die Salen-Liganden

6.3.2.2 Metall-freie dendritische Katalysatoren Der bisherige Schwerpunkt sowohl auf dem Gebiet der dendritischen Katalyse wie auch in der organischen Katalyse allgemein liegt in der Katalyse mit Metallen. Der Trend geht jedoch verstärkt zur Katalyse mit rein organischen Verbindungen. Einige Beispiele für derartige Metall-freie – und dendritische – Katalysatoren seien hier aufgeführt, die für formselektive Katalysen oder als chirale Auxiliare nützlich sein können. Ford et al. funktionalisierten Polyether-Dendrimere mit quartären Ammonium-Ionen (1 in Bild 6-42).[68, 69]

6.3 Dendritische Effekte

255

I I

I

N N

N

I

O O

O

N

N I

O

N

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O O

N

O O

O

I

N

I

O O N I

I Dendrimer

n

1 Bild 6-42 Polyether-Dendrimer, funktionalisiert mit quartären Ammonium-Gruppen (nach Ford et al.)

Das Potential dieser Dendrimere bei der unimolekularen Decarboxylierung von 6-Nitrobenzisoxazol und der durch o-Iodbenzoat katalysierten – bimolekularen Hydrolyse von pNitrophenyldiphenylphosphat wurde untersucht. In wässrigem Medium beschleunigen solche polykationische Dendrimere derartige Reaktionen durch Stabilisierung der organischen Anionen, die bei hoher Konzentration an der polykationischen Peripherie des Dendrimers ionisch wechselwirken. Somit fördert die pseudo-micellare Umgebung des Dendrimers die Bildung der nukleophilen organischen Anionen. Die entsprechenden POPAM-Komplexe mit CuII-, ZnII- und CoII-Ionen beschleunigten die gleichen Reaktionen allerdings um den Faktor 1,3 bis 6,3 gegenüber den Metall-Ion-freien Dendrimeren.[68] Da interne quartäre Ammonium-Ionen eines Dendrimers als aktive Stellen für Phasentransferoder Polyelektrolyt-Katalysen dienen können, synthetisierten Ford et al. entsprechende amphiphile Polyamin-Dendrimere mit Octyl- und Triethylenoxymethylether-Ketten.[70] Die unimolekulare konzertierte Decarboxylierung von Natrium-6-nitrobenzisoxazol-3carboxylat[71] diente zur Prüfung der katalytischen Fähigkeiten der Dendrimere, z. B. 2 (Bild 6-43). Bei der betrachteten Reaktion vermindern Wasserstoffbrücken-Bindungen protischer Lösungsmittelmoleküle mit den Carboxylat-Anionen die Reaktionsgeschwindigkeit, während dipolare aprotische Solventien die Geschwindigkeit steigern. Ein quartäres Ammoniumchlorid-Dendrimer wie 2 beschleunigt die Reaktion um den Faktor 200 bis 500 gegenüber der Umsetzung in Wasser. Unter der Annahme eines „single-site-Bindungsmodells“, das der Michaelis-Menten-Enzymkinetik und dem Menger-Portnoy-Modell[72, 73] für die Katalyse durch oberflächenaktive Micellen ähnelt, kann davon ausgegangen werden, dass die Substratbindung reversibel ist, das Substrat sich also zwischen der wässrigen Phase und dem Dendrimer verteilt. Von derselben Forschungsgruppe war zuvor ein Dendrimer mit 36 terminalen Alkyltrimethyl-ammoniumiodid-Gruppen und von Pentaerythritol abgeleiteten Verzweigungen synthetisiert worden, das jedoch über keine quartären Ammonium-Einheiten verfügt.[68] Die Dendrimere mit quartären Ammoniumionen weisen deutlich höhere Werte für die Geschwindigkeitskonstante kc der im Inneren des Dendrimers ablaufenden Decarboxylierung auf und haben auch eine höhere Bindungskonstante K als die Dendrimere ohne quartäre

256

6. (Spezielle) Chemische Reaktionen dendritischer Moleküle

Ammonium-Gruppen. Die höheren Bindungskonstanten für Dendrimere wie 2 waren nicht zu erwarten, da die anionischen Reaktanden in Konkurrenz zu den Iodid-Ionen der Dendrimere ohne quartäre Ammonium-Ionen stärker gebunden werden und somit schwerer verdrängt werden sollten. Die höheren kc-Werte sind allerdings bei Dendrimeren mit quartären Ammonium-Ionen zu erwarten, da diese aufgrund der Octyl-Ketten hydrophober sind. Dadurch befinden sich in ihrem Inneren weniger Wassermoleküle, die den Grundzustand des umzusetzenden Reaktanden über Wasserstoffbrücken-Bindungen stabilisieren können. Dendrimere höherer Generationen als 2 weisen noch größere Geschwindigkeitskonstanten auf, weshalb die Reaktanden in solchen Fällen wohl noch weniger hydratisiert vorliegen. O

O O O

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O O

O O

O

O O

O

2

Bild 6-43 DAB-basiertes Dendrimer mit internen quartären Ammonium-Gruppen (nach Ford et al.)

Neutrale dendritische Katalysatoren ohne Metallzentren liegen auch mit den Aminen 3 von Morao und Cossio vor, die aus einem einfachen Amin-Kern, funktionalisiert mit Fréchet-

6.3 Dendritische Effekte

257

Dendrons, bestehen (Bild 6-44).[74] Solche Amine können die Nitroaldol- oder HenryReaktion[75] zwischen aromatischen Aldehyden und Nitroalkanen katalysieren. Während in der Reaktion von p-Nitrobenzaldehyd mit Nitroethan bei verschiedenen Generationen von dendritischen Katalysatoren weder Veränderungen im Umsatz noch in der Stereoselektivität (syn/anti 1:1) auftraten, wurde ein ausgeprägter negativer Dendritischer Effekt für die Reaktion von Benzaldehyd mit 3-Nitro-1-propanol festgestellt. Mit den Katalysatoren 3a und 3b wurde noch ein Umsatz von mehr als 95% innerhalb von 4-6 Stunden erzielt, der bis zum G2Katalysator 3c auf 75% zurückging, nun allerdings über einen Zeitraum von 48 h. Es traten jedoch keine signifikanten Änderungen der Stereoselektivität auf; sie blieb unverändert beim Verhältnis syn/anti 2:1. Die katalytische Aktivität nimmt mit zunehmender Generation ab, weil mit zunehmendem dendritischem Wachstum eine immer stärkere sterische/elektronische Abschirmung des Zentrums durch die Dendrons einhergeht. Dennoch ist bemerkenswert, dass sich bei der ersten untersuchten Reaktion kein negativer Dendritischer Effekt bemerkbar macht. H

a

b

O

c

O

OR O

R = N

O RO

OR

3

O

O

d

O

O

O

O

O

Bild 6-44 Durch Dendron-Substitution ummantelter Amin-Kern (nach Morao und Cossío)

Soai et al. untersuchten anhand der chiralen Dendrimere 4 und 5 den Einfluss der Flexibilität des dendritischen Trägergerüsts auf die katalytischen Eigenschaften (Bild 6-45). Für 4 benutzten sie PAMAM als Träger der chiralen Ephedrin-Gruppen.[76, 77] Die dendritischen Katalysatoren, z. B. 4, bewirkten bei der chiralen Addition von Diethylzink an NDiphenylphosphinylimine allerdings nur einen moderaten Effekt auf die Enantiomeren-

258

6. (Spezielle) Chemische Reaktionen dendritischer Moleküle

Überschüsse des Produkts. Mit der nicht-dendritischen Modellverbindung wurde sogar eine höhere chirale Induktion erzielt – und diese zudem bei deutlich geringenen Konzentrationen.[78] Sowohl für die Ausbeuten als auch für die ee wurde ein negativer Dendritischer Effekt beim Übergang vom G1- zum G2-Katalysator beobachtet. Bei Einsatz des vergleichsweise starren Kohlenwasserstoff-Gerüsts 5 als Träger für die gleichen Ephedrin-Gruppen wurde immerhin ein ee von 86% (bei Katalysator-Konzentrationen von 3.3 mol%) erhalten.[79] Insgesamt variierten die erzielten ee für G1 und G2-Katalysator nur geringfügig, während für die Ausbeuten beim Übergang von G1 zu G2 ein positiver Dendritischer Effekt konstatiert wurde. Die verschiedenen Ergebnisse für flexible und starre Systeme (4 bzw. 5) werden auf die Flexibilität der Arme des PAMAM-Dendrimers 4 zurückgeführt, wodurch die verschiedenen Ephedrin-Gruppen miteinander wechselwirken und einen effektiven Transfer chiraler Information während der C-C-Verknüpfung verhindern können. Im Gegensatz hierzu verringert die Formsteifheit des Kohlenwasserstoff-Rückgrats in 5 die Interaktion zwischen den chiralen Gruppen, was den stereoselektiven Prozess begünstigt.

N

OH

N

OH

NH N OH

HN H ON N

NH

N

HO

OH

N

O

O NH N O 2

H N

HN

N

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HO

O NH

OH N

O HN

N HO N N HO HO

4

5

Bild 4-45 Flexibles (4) und starreres (5) chirales Dendrimer (nach Soai et al.)

Häm-haltige Monooxygenasen wie Cytochrom P450[80] und Peroxidasen[81] katalysieren eine Vielzahl wichtiger Oxidationen in der Natur. Daher stellt die Synthese von Verbindungen, welche die Struktur und zusätzlich die damit verbundene Funktionalität solcher Enzyme nachahmen, eine Herausforderung für den synthetischen Chemiker dar. Einige PorphyrinDendrimere[59, 82, 83] wurden hergestellt und erfolgreich auf ihre Aktivitäten als Mono-

6.3 Dendritische Effekte

259

Oxygenasen untersucht.[59, 82f, 83] Ausgehend von ihren Ergebnissen auf dem Gebiet dendritischer Cytochrom-Mimetika[84] synthetisierten Diederich et al. drei Generationen dendritischer FeIII-Porphyrine mit kovalent gebundenen axialen Imidazol-Liganden als ModellVerbindungen für Häm-Monooxygenasen.[85] Über den kovalent gebundenen ImidazolLiganden sollte die Bildung einer fünffach koordinierten Spezies mit einer freien Koordinationsstelle gewährleistet sein. Von solchen axial-orientierten Stickstoff-Liganden ist bekannt, dass sie die Reaktivität von Oxidationen, die von Metall-Porphyrinen katalysiert werden, erhöhen.[86] In der Natur verfügen Peroxidasen ebenfalls über eine Mono-ImidazolKoordinationsstelle ähnlich derjenigen in den Dendrimeren 6a-c (Bild 6-46). RO2C

CO2R

N N

O N N O

Fe Cl

O

O

6a

O

6b

6

N H

O

O

O

N N

CO2R

RO2C

R =

6c

H N

H N

O O

O

O

O

O

3

O O

N H

O

O O

O

O

O

3

Bild 6-46 Dendritische FeIII-Porphyrine als Modell-Verbindungen für Häm-Monooxygenasen (nach Diederich et al.)

Diederich et al. hatten postuliert, dass die hoch-reaktive Eisen-Oxo-Spezies, die aus dem Sauerstoff-Transfer vom Oxidans zum FeIII-Zentrum durch einen Mechanismus in der Art einer „Peroxid-Ableitung“ entsteht,[87] durch Umhüllen innerhalb einer dendritischen Überstruktur beträchtlich stabilisiert werden sollte. Das katalytische Potential der Dendrimere 6a-c wurde in der Epoxidierung von Alkenen[83a, 88] (1-Octen und Cycloocten) und der Oxidation von Sulfiden[83a] ((Methylsulfanyl)benzen und Diphenylsulfid) zu Sulfoxiden – in Dichlormethan mit Iodosylbenzen als Oxidationsmittel – ermittelt. Im Vergleich zu den bekannten Metall-Porphyrin-Katalysatoren zeigten 6a-c bei den Oxidationen nur niedrige TON (7 bzw. 28 für 6a und 25 bzw. 57 für 6c). Dies wird auf mangelnde Stabilität der Metall-Porphyrine gegenüber Selbstoxidation zurückgeführt. Wahrscheinlich wird die einzige freie mesoPosition am Porphyrin-Macrocyclus oxidativ unter Ringöffnung angegriffen.[89] Die Oxidation der Sulfide verläuft – wie zu erwarten – effizienter, mit Ausbeuten bis zu 80% und Selektivitäten von über 99%. Für die TON war ein deutlicher Anstieg beim Übergang von G0 (38 bzw. 30 für 6a) zu G2 (77 bzw. 87 für 6c) zu erkennen. Sowohl für die OlefinEpoxidierungen als auch für die Sulfid-Oxidationen war ein deutlicher positiver Dendritischer Effekt zu beobachten. Die stärker werdende Abschirmung durch die dendritische Ummantelung ahmt die Funktion der Proteinhülle in natürlichen Häm-Proteinen nach, verlangsamt die Zersetzung und sorgt für eine verbesserte Stabilität des Katalysators. Somit erwies sich der dendritische Katalysator zweiter Generation 6c als effizientester Katalysator dieses Typs.

260

6. (Spezielle) Chemische Reaktionen dendritischer Moleküle

Der vorstehende kurze Überblick über den Stand bisheriger Entwicklungen dendritischer Katalysatoren zeigt einerseits das große Potenzial an strukturellen und funktionellen Möglichkeiten, andererseits, dass es wohl noch weiterer Grundlagen-Studien und neuer Ansätze bedarf, um eingefahrene konventionelle Katalysator-Systeme zu übertreffen (s. auch Kapitel 8.2).

6.3.3 Dendritische Effekte bei elektrochemischen Eigenschaften 6.3.3.1 Charge-Transfer-Komplex-basierte Leitfähigkeit PAMAM-Dendrimere der Generationen eins bis fünf wurden an der Peripherie mit Naphthalendiimid-Einheiten dekoriert (Bild 6-47), welche, um Wasserlöslichkeit zu gewährleisten, kationische Substituenten tragen. Anschließende Reduktion mit Natriumdithionit oder Formamid in wässrigem Medium[90] führte zu Anionenradikal-Zentren an den Diimid-Einheiten. Diese aggregieren in Lösung zu ʌ-Stapeln, in fester Form bilden sie elektrisch leitende Filme.[91] Mittels ESR wurde gefunden, dass jede Diimid-Gruppierung bei der Reduktion in Wasser ein Elektron aufnimmt, und dass damit dünne dendritische Filme mit Luftfeuchtigkeitsabhängiger Leitfähigkeit erhalten werden können. Die Leitfähigkeit nimmt mit steigender Feuchtigkeit über dem Film zu und erreicht bei 90%iger Luftfeuchte Werte bis zu 18S/cm. Zur Frage der Struktur/Eigenschafts-Beziehungen nahmen Tomalia et al. an, dass die DiimidGruppen in größeren Dendrimeren in engere Nachbarschaft treten. Das Dendrimer der ersten Generation mit nur sechs Diimid-Einheiten zeigte eine geringere Leitfähigkeit, jedoch wies die fünfte Generation mit 96 Diimid-Einheiten keine größeren Vorteile gegenüber dem Dendrimer der zweiten Generation mit nur 12 Diimid-Funktionen auf. Deshalb wurde postuliert, dass in jedem Dendrimer niedrige ʌ-Stapel gebildet werden, sodass die Leitfähigkeit für alle hier untersuchten Dendrimere ähnlich ist. Innerhalb des PAMAM-Kerns gibt es offenbar genügend Flexibilität, die sowohl intra- als auch intermolekulare ʌ-Stapel-Wechselwirkungen ermöglicht.[90]

6.3 Dendritische Effekte

261

R

NH

O

R

O

R N H

HN

N

O

R HN

O

O

N NH

R

N H

NH HN

O O N

O

N H

HN

H N

O

O O

NH

NH N H

N

NH

R O O N

NH

R

NH

O

O

HN N

H N

NH

H N

NH

NH

HN

N

O

N

O

O

O

O

HN

O NH

R

O

HN H N

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R O

NH O NH

NH

O

N R NH HN

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O R

R

R=

O

O

N

N

O

O

N

I

O

O

O

N

N

N

N

O

O

O

O

N

O Br N

I

Bild 6-47 PAMAM-Dendrimer der Generation G2 mit drei unterschiedlichen kationischen Naphthalendiimid-Endgruppen (nach Miller, Tomalia et al.)

6.3.3.2 Redox-Gradienten Blackstock et al. synthetisierten ein redoxaktives Polyarylamin-Dendrimer (Bild 6-48) mit Elektronentransport-Eigenschaften. Es baut sich aus einer 1,3,5-substituierten BenzenKerneinheit mit innenliegenden p-Phenylendiamin-Spacern (-Abstandshaltern) auf, die von Arylamino-Gruppen umschlossen sind.[92] Das Molekül weist C3-Symmetrie auf mit neun ausgeprägten meta-verknüpften Redox-Funktionen. Die schwer zu oxidierenden außenliegenden Triarylamino-Gruppen bilden eine Art Mantel um die einfacher zu oxidierenden innenliegenden Phenylendiamino-Gruppen. Dies bewirkt einen strahlenförmigen RedoxGradienten innerhalb der dendritischen Architektur. Wahrscheinlich unterstützt der von der Peripherie zum Kern verlaufende Gradient die im Zuge von Oxidationen auftretende positive Kernladung und inhibiert zudem eine Entladung des positiven Kerns bei Reduktionsreaktio-

262

6. (Spezielle) Chemische Reaktionen dendritischer Moleküle

nen. Solche Polyarylamin-Dendrimere können daher als dreidimensionale „Ladungstrichter“ und als „Ladungslager“ dienen, in denen eine auftretende Kernladung geschützt wird. MeO

OMe N OMe

MeO N

N

OMe MeO

OMe N

OMe

N

OMe

N

MeO MeO

N

N

OMe

OMe

N N

OMe OMe

MeO N

N

OMe

OMe

Bild 6-48 Redoxaktives Polyarylamin-Dendrimer (nach Selby und Blackstock)

6.3.3.3 Redox-Sensorik Astruc et al. stellten Dendrimere dar, die an der Peripherie mit bis zu achtzehn FerrocenEinheiten funktionalisiert sind (Bild 6-49). Diese Amido-Ferrocen-Dendrimere sind geeignete Wirtmoleküle („Rezeptoren“) für kleine Anionen. Durch cyclische Voltammetrie (CVMessungen) konnte das Redoxverhalten der Ferrocen-Endgruppen bei Gegenwart diverser Anionen (H2PO4¯, HSO4¯, Cl¯, Br¯, NO3¯) verfolgt werden. Die Amido-FerrocenUntereinheiten wechselwirken über Wasserstoffbrücken-Bindungen mit den Anionen, wobei aufgrund der Oxidation der Ferrocen-Gruppen – zu Ferrocenium-Kationen – vor allem eine elektrostatische Anziehung der anionischen Gäste stattfindet. Mit wachsendem Generationsgrad wurde ein Anion-induzierter Anstieg des Redoxpotentials beobachtet. Dieser Dendritische Effekt basiert auf der größeren Oberflächendichte der terminalen Redox-Sensorgruppen.

6.3 Dendritische Effekte

263

Fe Fe

Fe O

O

Fe

NH O

HN

HN

Fe

NH

O

O

N

Fe

N

O

NH

HN O

O

H N

Fe

Fe

HN O

N

N

O

O

O

O

Fe

NH O

N

O Fe

O N H

NH

O

N O

O

O

HN

Fe

N

Fe

O O

HN

N O

N

NH

NH

HN Fe

Fe

O Fe

NH HN

O

O

O Fe Fe

Fe

Bild 6-49 Redoxaktives Dendrimer mit 18 terminalen Ferrocen-Einheiten (nach Astruc et al.)

6.3.3.4 Redoxpotential und Redox-Transferkinetik Die Veränderung der elektrochemischen Eigenschaften eines durch dendritische Fragmente eingehüllten Redoxzentrums[93] kann zu zwei unterschiedlichen Dendritischen Effekten führen. Der erste zeigt sich in einer Verschiebung des Redoxpotentials. Dessen Ausdehnung und Richtung hängen von der dendritischen Architektur und dem Lösungsmittel ab. Ein solches Verhalten wurde bei dendritischen Eisen-Porphyrinen gefunden.[94] Der zweite Effekt drückt sich in einer Verzögerung der Redox-Transferkinetik aus und ist durch einen schrittweisen Anstieg der Peakabstände im Cyclovoltammogramm mit zunehmender DendrimerGeneration charakterisiert.

264

6. (Spezielle) Chemische Reaktionen dendritischer Moleküle

Bei Ruthenium(II)-bis(terpyridin)-Dendrimeren (Bild 6-50), in denen die Dendrimer-Größe schrittweise ansteigt, konnte durch Größenausschluss-Chromatographie und bei den elektrochemischen Eigenschaften ein Einfluss der Dendrimer-Größe auf die Reversibilität von Redoxprozessen nachgewiesen werden.[95]

2 2 PF6 O

O O O

O

O

O

N

O O

O

O

N

Ru N

O

N N N

O

O O

O O

O

O

O

O

O

O

O

O O O

O

Bild 6-50 Ruthenium(II)-bis(terpyridin)-Metallo-Dendrimer (nach Chow et al.)

6.3.3.5 Ladungstrennungs-Prozesse Dendritische Zink-Porphyrine mit endständigen Fulleren-Gruppierungen (Bild 6-51) wurden auf photoinduzierte Elektronentransfer-Eigenschaften untersucht. Solche kovalent gebundenen PZn-C60-Dyaden (Zweiergruppen, von dyas = Zweiheit; PZn = Porphyrin/Zink-Komplex) gelten als gute photoinduzierte Elektronentransfer-Einheiten, bei denen der Ladungstrennungszustand, der aus dem Elektronenübergang vom Porphyrin zum Fulleren resultiert, wegen der niedrigen Reorganisations-Energie des Fullerens einen Vorteil bietet.[96] Studien hinsichtlich der Lebensdauer des ladungsgetrennten Zustands bei diesen dendritischen Porphyrin/Zink-Fulleren-Systemen mit bis zu sieben Porphyrin-Einheiten (7PZn-C60) zeigten nicht nur die – sichtbares – Licht-sammelnden Eigenschaften der großen dendritischen Antennen für den Elektronentransfer zum fokalen Fulleren, sondern auch eine Verzögerung des Rücktransports des Elektrons. Die Lebensdauer des ladungsgetrennten Zustands erwies sich für das im – im Bild 6-51 gezeigten – „Heptamer“ als wesentlich höher als bei kleineren Generationen (Monomer und Trimer).

6.3 Dendritische Effekte

265 Me O

Me

Me O

O

O

O

Me

Me

Me O

Me Me

O

O

O

O O

O O

Me O

O

O

O

O

O

O Me

O O Me O

O Me

O Me

N

Me O

N O

Me

O Me

N

O Me

Zn

O

Zn

N

N

N

N

N

Me Me O

Me O O Me

O

O N

N

O Me

O

N

N

N

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O

N

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O

Me

O

O

O

Zn

N

N

Zn

N

N

O

Zn

N

N

N

N

O Me

O N

O

O Me

O O Me

O

O

O

O O

Me O

Me

O Me

N

N Zn N

N

O

O Me

O Me

O

O Me

O Me

O

N

Bild 6-51 Dendritisch verknüpfte Porphyrin/Zink-Komplexe mit Fulleren im fokalen Punkt (nach Aida et al.)

6.3.4 Zusammenfassung zum Dendritischen Effekt Eine Vorhersage, ob sich bei einer dendritischen Verbindung tatsächlich ein Dendritischer Effekt einstellen kann, ist vom Molekülbau, insbesondere dem Verzweigungsgrad, der Generationszahl, den Spacern, der jeweiligen Zielverbindung sowie von seiner Umgebung (Temperatur, Lösungsmittel, Gastsubstanzen) abhängig. Mit flexiblen oder rigiden linearen Spacern dürften sich Dendritische Effekte oft abschwächen oder sogar aufheben lassen. Für photo-physikalische und elektrochemische Eigenschaften lassen sich Dendritische Effekte wohl eher „einplanen“ oder – in Zukunft – sogar maßgeschneidern. Für die Katalyse mit Dendrimeren und auch für die molekulare Erkennung können solche Trends – wegen der Komplexität der chemischen Reaktionsmechanismen, die oft auch für den nicht-dendritischen Fall noch nicht völlig verstanden sind – nicht so deutlich prognostiziert werden. Je nach Aufbau des funktionalisierten Dendrimers wird für kleinere oder nachfolgende Generationen ein Maximum an Effektivität erreicht, während für die nachfolgenden Generationen der Effekt sich ins Negative umkehren könnte.

266

6. (Spezielle) Chemische Reaktionen dendritischer Moleküle

Literaturverzeichnis und Anmerkungen zu Kapitel 6 „(Spezielle) Chemische Reaktionen dendritischer Moleküle“ Übersichtsartikel sind durch ein vorgestelltes fett gedrucktes Übersicht(en) bzw. Buch (Bücher) gekennzeichnet. [1] Buch: R. H. Grubbs, Handbook of Metathesis, Wiley-VCH 2003, Vol 1-3; Übersichten: A. Fürstner, Angew. Chem. 2000, 112, 3140-3172; Angew. Chem. Int. Ed. 2000, 39, 3012-3043; M. Schuster, S. Blechert, Angew. Chem. 1997, 109, 2124-2144; Angew. Chem. Int. Ed. 1997, 36, 2036-2056; K. C. Nicolaou, P. G. Bulger, D. Sorlah, Angew. Chem. 2005, 117, 4564-4601; Angew. Chem. Int. Ed 2005, 44, 4490-4527; R. R. Schrock, A. H. Hoveyda, Angew. Chem. 2003, 115, 4740-4782; Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 4592-4633; D. Astruc, New. J. Chem. 2005, 29, 42-56. [2] C. O. Liang, J. M. J. Fréchet, Macromolecules 2005, 38, 6276-6284. [3] S. Gatard, S. Nlate, E. Cloutet, G. Bravic, J.-C. Blais, D. Astruc, Angew. Chem. 2003, 115, 468-472; Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 452-456. [4] S. B. Garber, J. S. Kingsbury, B. L. Gray, A. H. Hoveyda, J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 8168-8179. [5] P. Wijkens, J. T. B. H. Jastrzebski, P. A. Schaaf, R. Kolly, A. Hafner, G. van Koten, Org. Letters 2000, 11, 16211624; S. B. Garber, J. S. Kingsbury, B. L. Gray, A. H. Hoveyda, J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 8168-8179; H. Beerens, F. Verpoort, L. Verdonck, J. Mol. Catal. 2000, 151, 279-282; H. Beerens, F. Verpoort, L. Verdonck, J. Mol. Catal. 2000, 159, 197-201. [6] C. Ornelas, D. Méry, J.-C. Blais, E. Cloutet, J. R. Aranzaes, D. Astruc, Angew. Chem. 2005, 117, 7565-7570; Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 3752-3753. [7] A. K. Chatterjee, J. P. Morgan, M. Scholl, R. H. Grubbs, J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 3783-3784; A. K. Chatterjee, T.-L. Choi, D. P. Sanders, R. H. Grubbs, J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 11360-11370; Übersicht: R. H. Grubbs, Acc. Chem. Res. 2001, 34, 18-29. [8] Übersichten: a) G. Wulff, Chem. Rev. 2002, 102, 1-28; b) A. J. Hall, M. Emgenbroich, B. Sellergren, Top Curr. Chem. (Bandhrsg. C. A. Schalley, F. Vögtle, K. H. Dötz) 2005, 249, 317-349; c) B. Sellergren, M. Lepistö, K. Mosbach, J. Am. Chem. Soc. 1988, 110, 5853-5860; d) F. L. Dickert, P. A. Lieberzeit, O. Hayden, Nachrichten aus der Chemie, November 2003; e) K. J. Shea J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 2072-2073; f) K. Haupt, Analyt. Chemistry 2003, 75, 376A-383A; g) Buch: M. Komiyama, T. Takeuchi, T. Mukawa, H. Asanuma, Molecular Imprinting, WileyVCH, Weinheim 2002. [9] Übersichten: Top. Curr. Chem (Bandhrsg. C. A. Schalley, F. Vögtle, K. H. Dötz) 2004, 248; Top. Curr. Chem (Bandhrsg. C. A. Schalley, F. Vögtle, K. H. Dötz) 2005, 249. [10] M. S. Wendland, S. C. Zimmerman, J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 1389-1390; S. L. Elmer, S. C. Zimmerman, J. Org. Chem. 2004, 69, 7363-7366; J. B. Beil, N. G. Lemcoff, S. C. Zimmerman, J. Am. Chem. Soc. 2004, 12, 1357613577. [11] L. G. Schultz, Y. Zhao S. C. Zimmerman, Angew. Chem. 2001, 113, 2016-2020; Angew. Chem. Int. Ed. 2001, 40, 1962-1966. [12] S. C. Zimmerman, I. Zharov, M. S. Wendland, N. A. Rakow, K. S. Suslick, J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 1350413518; S. C. Zimmerman, M. S. Wendland, N. A. Rakow, I. Zharov, K. S. Suslick, Nature 2002, 418, 399-403; siehe auch Kapitel 8.8.3. [13] Y. Kim, M. F. Mayer, S. C. Zimmerman, Angew. Chem. 2003, 115, 1153-1158; Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 1121-1126. [14] F. Vögtle, M. Plevoets, G. Nachtsheim, U. Wörsdörfer, J. Prakt. Chem. 1998, 340, 112-120; R. Herrmann, F. Vögtle, H.-P. Josel, B. Frommberger, G. Pappert, J. Issberner, Boehringer (Mannheim), Patent DE 4439346A1, 1994. [15] R. Misra, R. Kumar, T. K. Chandrashekar, C. H. Suresh, A. Nag, D. Goswami, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 16083-16091. [16] Übersicht: O. A. Mathews, A. N. Shipway, J. F. Stoddart, Progr. Polymer Sci. 1998, 23, 1-56; D. K. Smith, F. Diederich, Chem. Eur. J. 1998, 4, 1353-1361; S. Hecht, J. M. J. Fréchet, Angew. Chem. 2001, 113, 76-94; Angew.

Literaturverzeichnis und Anmerkungen zu Kapitel 6

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268

6. (Spezielle) Chemische Reaktionen dendritischer Moleküle

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Literaturverzeichnis und Anmerkungen zu Kapitel 6

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270

6. (Spezielle) Chemische Reaktionen dendritischer Moleküle

[78] Zur Anwendung im kontinuierlich betriebenen Membranreaktor siehe: A. W. Kleij, R. A. Gossage, R. J. M. Gebbink, N. Brinkmann, U. Kragl, E. J. Reyerse, M. Lutz, A. L. Spek, G. van Koten, J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 12112-12124. [79] Die nickelhaltigen Systeme sind auch aktiv in der kontrollierten Radikalpolymerisation (ATRP). Siehe: a) T. E. Patten, J. Xia, T. Abernathy, K. Matyjaszewski, Science 1996, 272, 866-868; b) C. Granel, Ph. Dubois, R. Jérôme, P. Teyssié, Macromolecules 1996, 29, 8576-8582; c) S. A. F. Bon, F. A. C. Bergman, J. J. G. S. van Es, B. Klumperman, A. L. German, “Controlled radical polymerization: towards control of molecular weight”, in Controlled Radical Polymerization (K. Matyjaszewski, Hrsg.), ACS Symposium Series 1998, 685, 236-255. [80] R. E. White, M. J. Coon, Ann. Rev. Biochem. 1980, 49, 315-356; J. H. Dawson, M. Sono, Chem. Rev. 1987, 87, 1255-1276; M. Sono, M. P. Roach, E. D. Coulter, J. H. Dawson, Chem. Rev. 1996, 96, 2841-2888. [81] H. B. Dunford, Adv. Inorg. Biochem. 1982, 4, 41-68; J. H. Dawson, Science 1988, 240, 433-439; A. M. English, G. Tsaprailis, Adv. Inorg. Chem. 1995, 43, 79-125. [82] a) P. J. Dandliker, F. Diederich, A. Zingg, J.-P. Gisselbrecht, M. Gross, A. Louati, E. Sanford, Helv. Chim. Acta 1997, 80, 1773-1801; b) K. W. Pollak, J. W. Leon, J. M. J. Fréchet, M. Maskus, H. D. Abruña, Chem. Mater. 1998, 10, 30-38; c) D.-L. Jiang, T. Aida, J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 10895-10901; d) S. A. Vinogradov, L.-W. Lo, D. F. Wilson, Chem. Eur. J. 1999, 5, 1338-1347; e) U. Puapaiboon, R. T. Taylor, Rapid. Commun. Mass Spectrom. 1999, 13, 508-515; f) M. Rimura, T. Shiba, M. Yamazaki, K. Hanabusa, H. Shirai, N. Kobayashi, J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 5636-5642. [83] Übersichten: a) B. Meunier, Chem. Rev. 1992, 92, 1411-1456; b) D. Mansuy, Coord. Chem. Rev. 1993, 125, 129-141; c) D. R. Benson, R. Valentekovich, S.-W. Tam, F. Diederich, Helv. Chim. Acta 1993, 76, 2034-2060; d) F. Bedioui, Coord. Chem. Rev. 1995, 144, 39-68; Artikel: e) J. P. Collman, Z. Wang, A. Straumanis, M. Quelquejeu, E. Rose, J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 460-461; f) J. Yang, R. Breslow, Angew. Chem. 2000, 112, 2804-2806; Angew. Chem. Int. Ed. 2000, 39, 2692-2695; g) J. T. Groves, J. Porphyrins Phthalocyanines 2000, 4, 350-352; Übersicht: h) W.-D. Woggon, H.-A. Wagenknecht, C. Claude, J. Inorg. Biochem. 2001, 83, 289-300. [84] a) P. Weyermann, J.-P. Gisselbrecht, C. Boudon, F. Diederich, M. Gross, Angew. Chem. 1999, 111, 3400-3404; Angew. Chem. Int. Ed. 1999, 38, 3215-3219; b) P. Weyermann, J.-P. Gisselbrecht, C. Boudon, F. Diederich, M. Gross, Helv. Chim. Acta 2002, 85, 571-598. [85] P. Weyermann, F. Diederich, Helv. Chim. Acta 2002, 85, 599-617. [86] M. J. Gunter, P. Turner, J. Mol. Catal. 1991, 66, 121-141; Y. Naruta, K. Maruyama, Tetrahedron Lett. 1987, 28, 4553-4556. [87] J. T. Groves, T. E. Nemo, R. S. Myers, J. Am. Chem. Soc. 1979, 101, 1032-1033. [88] Übersichten: T. G. Traylor, Pure Appl. Chem. 1991, 63, 265-274; M. J. Gunter, P. Turner, Coord. Chem. Rev. 1991, 108, 115-161. [89] P. A. Adams, J. Louw, J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2 1995, 1683-1690; P. R. Ortiz de Mantellano, Curr. Opin. Chem. Biol. 2000, 4, 221-227. [90] L. L. Miller, R. G. Duan, D. C. Tully, D. A. Tomalia, J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 1005-1010. [91] J.-F. Penneau, L. L. Miller, Angew. Chem. 1991, 103,1002-1003; Angew. Chem Int. Ed. 1991, 30, 986-987; J.-F. Penneau, B. J. Stallman, P. H. Kasai, L. L. Miller, Chem. Mater. 1991, 3, 791-796; C. J. Zhong, W. S. V. Kwan, L. L. Miller, Chem. Mater. 1992, 4, 1423; Übersicht: L. L. Miller K. R. Mann, Acc. Chem. Res. 1996, 29, 417-423. [92] T. D. Selby, S. C. Blackstock, J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 12155-12156. [93] H.-F. Chow, I. Y.-K. Chan, P.-S. Fung, T. K.-K. Mong, M. F. Nontrum, Tetrahedron 2001, 57, 1565-1572. [94] P. J. Dandliker, F. Diederich, M. Gross, C. B. Knobler, A. Louati, E. M. Sandford, Angew. Chem. 1994, 106, 1821-1824; Angew. Chem. Int. Ed. 1994, 33, 1739-1742; P. J. Dandliker, F. Diederich, J.-P. Gisselbrecht, A. Louati, M. Gross, Angew. Chem. 1996, 107, 2906-2909; Angew. Chem Int. Ed. 1996, 34, 2725-2728. [95] H.-F. Chow, I. Y.-K. Chan, P.-S. Fung, T. K.-K. Mong, M. F. Nongrum, Tetrahedron 2001, 57, 1565-1572. [96] M.-S. Choui, T. Aida, H. Luo, Y. Araki, O. Ito, Angew. Chem. 2003, 115, 4194-4197; Angew. Chem Int. Ed. 2003, 42, 2154-2157.

7. Charakterisierung und Analytik Die zweifelsfreie Charakterisierung von Dendrimeren ist nicht zuletzt aufgrund ihrer Molekülgröße und Symmetrie ziemlich komplex und stützt sich daher stets auf mehrere Analysemethoden. Neben verschiedenen NMR-Techniken,[1] welche die Basis der DendrimerAnalytik bilden, sind abgesehen von Elementaranalysen vor allem verschiedene massenspektrometrische und chromatographische Methoden, IR-[2] und Raman-Spektroskopie, Röntgen-Strukturanalysen sowie Elektrophorese-Techniken[3] eingesetzt worden. Zunehmende Bedeutung gewinnen auch Röntgen-Kleinwinkel-, Neutronenkleinwinkel- und LaserlichtStreuexperimente sowie mikroskopische Einzelmolekül-Beobachtungen. Sofern entsprechende Bauelemente im Dendrimer vorliegen, können auch UV-Vis- und FluoreszenzSpektroskopie oder chiroptische Messmethoden einen wichtigen Beitrag zur DendrimerCharakterisierung leisten. In den folgenden Abschnitten werden einige der wichtigsten analytischen Methoden[4] vorgestellt, die zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung, der Molekülmasse, der Morphologie, der räumlichen Gestalt und der Homogenität von Dendrimeren herangezogen werden.

7.1 Chromatographie Zunächst seien einige chromatographische und elektrophoretische Trennmethoden erläutert, da in den meisten Fällen keine zweifelsfreie Charakterisierung ohne voherige Aufreinigung der Dendrimer-Probe möglich ist. Unter dem Begriff Chromatographie werden physikalische Trennmethoden zusammengefasst, mit denen Substanzgemische durch eine vielfach wiederholte Gleichgewichts-Einstellung der verschiedenen Komponenten zwischen einer stationären und einer mobilen Phase aufgetrennt werden können. Im folgenden werden die chromatographischen Verfahren näher vorgestellt, die zur Lösung von Trennproblemen in der Dendrimer-Chemie herangezogen werden.

7.1.1 Flüssigchromatographie Bei der Flüssigchromatographie transportiert die mobile Phase (Eluent) die gelöste Probe durch die stationäre Phase. In Abhängigkeit von der Polarität der stationären Phase werden zwei Methoden unterschieden: Normalphasen-Chromatographie (NP, engl. Normal Phase) und Umkehrphasen-Chromatographie (RP, engl. Reversed Phase). In der NPChromatographie wird eine stationäre polare Phase wie Kieselgel (SiO2) oder Aluminiumoxid (Al2O3) sowie eine unpolarere mobile Phase eingesetzt.

272

7. Charakterisierung und Analytik

Die Trennwirkung resultiert aus der unterschiedlich starken Wechselwirkung der verschiedenen Komponenten einer Probe mit der stationären Phase. Bei der NP-Chromatographie werden unpolare Lösungsmittel (z. B. Alkane) als Eluenten eingesetzt, wobei die Polarität des Eluenten bei unzureichender Elutionskraft durch Zugabe polarerer Lösungsmittel erhöht werden kann. Polarere Probenbestandteile haben in der NPChromatographie längere Verweilzeiten, d. h. sie verlassen die Säule später, da sie länger zurückgehalten (retardiert) werden. Auch bei der RP-Chromatographie wird in der Regel eine stationäre Phase auf KieselgelBasis verwendet. Durch Alkylierung der Hydroxyl-Gruppen erhält die stationäre Phase jedoch einen unpolaren Charakter. Zu den gebräuchlichsten Eluenten gehören polare Lösungsmittel wie Methanol, Acetonitril oder Tetrahydrofuran bzw. entsprechende LösungsmittelGemische. Der Trennmechanismus in der RP-Chromatographie ist komplex und lässt sich am besten als Folge von Adsorptions- und Verteilungseffekten erklären. Häufig sind die Bestandteile einer Dendrimer-Probe strukturell sehr ähnlich und unterscheiden sich nur geringfügig in ihren physikochemischen Eigenschaften. Eine gradientenweise Veränderung der Polarität des Lösungsmittels durch zunehmend verstärktes Hinzumischen eines polareren bzw. unpolareren Lösungsmittels führt in solchen Fällen oft zu einer besseren Trennung (Gradientensäule).

7.1.1.1 Präparative Flüssigchromatographie Die präparative Flüssigchromatographie (LC, engl. liquid chromatography) ist eine wichtige und vergleichweise kostengünstige Methode in der Dendrimer-Chemie zur routinemäßigen Trennung der verschiedenen Komponenten von größeren Probenmengen (> 1g). Die stationäre Phase befindet sich in Säulen, deren Durchmesser und Länge von der Probenmenge und der erforderlichen Trennleistung abhängt (Säulen-Chromatographie). Die mobile Phase (Eluent), die die gelöste Probe mit den Komponenten transportiert, wird entweder durch Schwerkraft oder durch zusätzlichen Druck (Flash-Chromatographie) durch die Säule bewegt (Bild 7-1). Die Dünnschicht-Chromatographie (TLC, engl. Thin-Layer Chromatography)[5] wird in der Dendrimer-Synthese routinemäßig zur Reinheitskontrolle und zur Identifizierung einzelner Bestandteile einer Dendrimer-Probe genutzt und eignet sich zur Überwachung der säulenchromatographischen Trennung. Da bereits Chemie-Studenten der ersten Fachsemester mit dieser analytischen Technik vertraut gemacht werden, wird in diesem Zusammenhang nicht näher darauf eingegangen.

7.1 Chromatographie

273

mobile Phase

Stoffe A + B als Lösung

Stoff B Stoff A

Säulenfüllung (stationäre und mobile Phase)

a)

b)

c) Detektor z.B. UV/VIS

A

Intensität

B

Laufzeit [min]

Bild 7-1 Aufbau einer säulenchromatographischen Trennung eines Probengemischs aus zwei Komponenten A und B unter Normaldruck [in Anlehnung an C. Janiak, Vorlesung Analytische Chemie I, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg]. a) Nach Auftragen der Analytprobe; b) Die Komponenten A und B sind bereits räumlich getrennt; c) Ausdruck der Trennung (Chromatogramm)

7.1.1.2 Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie Eines der leistungsfähigsten Trennverfahren ist die Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie (HPLC, engl. high-performance liquid chromatography).[6] Sie weist einen breiten Anwendungsbereich auf, der auch nicht-flüchtige Substanzen wie ionische Verbindungen (z. B. Aminosäuren, Proteine, Metall-Komplexe) oder höhermolekulare Verbindungen wie Polymere und Dendrimere[7] einschließt, die mittels Gaschromatographie nicht zu trennen sind.

274

7. Charakterisierung und Analytik

Pumpe Entgaser

Vorratsgefäß für mobile Phase

Detektor

Datenaufnahme

Trennsäule

Injektion der gelösten Substanzprobe

Vorsäule

Computer

Abfallgefäß

Bild 7-2 Aufbau einer HPLC-Anlage (schematisch)

Bei der HPLC wird die Substanzprobe in einem – mit der mobilen Phase mischbaren – Lösungsmittel gelöst und anschließend über ein Ventil injiziert. Die Trennung erfolgt auf einer chromatographischen Säule, die bei Bedarf temperiert werden kann. Die getrennten Probenbestandteile werden im Anschluss mithilfe eines an einen Computer angeschlossenen Detektors nachgewiesen (Bild 7-2). Die HPLC zeichnet sich durch eine deutlich höhere Trennleistung aus als die bereits vorgestellte klassische Säulenchromatographie (LC). Um dies zu erreichen, werden in der HPLC stationäre Phasen mit geringem Teilchendurchmesser (dp = 3 bis 10 µm für analytische Trennungen) verwendet. Da diese der mobilen Phase einen hohen Widerstand entgegensetzen, sind Drücke von bis zu 400 bar erforderlich, um die mobile Phase mit akzeptablen Flussraten über die Trennsäule zu befördern. Die HPLC bietet den Vorteil, nicht ausschließlich eine analytische Technik zu sein, sondern bei entsprechender Umrüstung auch auf die präparative Trennung (z. B. von Dendrimeren) angewandt werden zu können. In den letzten Jahren wurde diese Methode vermehrt zur Indentifzierung und Trennung von Dendrimeren eingesetzt, wobei die meisten der mittels dieser Technik bearbeiteten Trennprobleme bei Dendrimeren mithilfe der RP-Chromatographie gelöst wurden.

7.1 Chromatographie

275

HPLC in der Dendrimer-Chemie: Da die Trennung in erster Linie auf der Adsorption zwischen den peripheren Gruppen des Dendrimers und der stationären Phase basiert, ist die HPLC eher für die Trennung von Dendrimeren mit terminalen Defekten oder verschiedenen Endgruppenfunktionalitäten geeignet.[8] Um die einzelnen mittels HPLC getrennten Fraktionen strukturell zu charakterisieren, können massenspektrometrische Methoden (z. B. MALDI-MS, s.u.) genutzt werden. Alle während eines divergenten Dendrimer-Aufbaus entstandenenen fehlerhaften Verbindungen zu identifizieren, ist eine der großen Herausforderungen der Dendrimer-Analytik. Moleküle mit kleineren internen Strukturdefekten (z. B. fehlende Verzweigungseinheiten, intramolekulare Ringschlüsse), die die Retentionszeit nur geringfügig beeinflussen, sind im Chromatogramm jedoch häufig nur als Schulter zu erkennen oder bleiben unter dem Hauptpeak verborgen. Neuere Untersuchungen zeigen, dass sich die RP-HPLC in Kombination mit der MALDITOF-Massenspektrometrie zur präparativen Trennung und Charakterisierung von PAMAMDendrimeren verschiedener Generation oder unterschiedlichen peripheren Gruppen eignet.[8] Bisherige Untersuchungen deuten darauf hin, dass sich die Reinheit eines Dendrimers anhand der Chromatogramme zumindest halbquantitativ bewerten lässt. Darüber hinaus können mithilfe der HPLC chirale Dendrimere (s. Kapitel 4.2) in ihre Enantiomere getrennt werden, wenn als stationäre Phase Kieselgel-Material verwendet wird, an dessen Oberfläche optisch aktive Substanzen gebunden sind.[9] Da die chirale stationäre Phase (CSP)[10] mit den enantiomeren Dendrimeren unterschiedlich starke Wechselwirkungen eingeht, werden sie verschieden stark retardiert, und man erhält im Idealfall zwei vollständig getrennte Peaks (Basislinien-Trennung). Erfolgreich wurde diese Trenntechnik unter anderem bei racemischen Mischungen von planar-chiralen Dendro[2.2]paracyclophanen, cycloenantiomeren Dendro[2]rotaxanen, topologisch chiralen Dendro[2]catenanen[11] sowie topologisch chiralen, dendritisch substituierten molekularen Knoten (Knotanen)[12] angewandt (Kapitel 4.2.3).

7.1.2 Gelpermeations-Chromatographie Eine in der Polymer- und Dendrimer-Analytik häufig verwendete Chromatographie-Technik ist die Größenausschluss-Chromatographie (SEC: Size Exclusion Chromatography),[13] die häufig auch als Gelpermeations-Chromatographie (GPC) bezeichnet wird. Sie ist eine einfache Methode, um mit relativ geringem Aufwand an Substanz und Zeit die relative molare Masse, die Molmassenverteilung und den Polydispersitäts-Index (PDI) zu ermitteln. Bei der GPC handelt es sich um eine weitere spezielle Form der FlüssigkeitsChromatographie. Als stationäre Phase dienen hier poröse, polymere Gele (z. B. PolystyrenGel), mit denen die Trennsäule gepackt wird. Die Körnung des Füllmaterials und die Größenverteilung der Poren sind wohl definiert und einheitlich. Bei der GPC erfolgt die Trennung der Moleküle nicht nach ihrer Affinität zum Trägermaterial, sondern nach ihrer effektiven Größe in Lösung, d. h. ihrem hydrodynamischen Volumen.

276

7. Charakterisierung und Analytik zeitlicher Ablauf:

a) Injektion

b) Trennung nach c) Elution von großen d) Elution von kleinen der Molekülgröße Molekülen Molekülen

Lösemittelstrom:

Probe

poröses Säulenmaterial

Konzentrationsdetektor

Chromatogramm (KonzentrationsElutionskurve): Injektion

a)

b)

c)

d)

Elutionsvolumen

Bild 7-3 Funktionsweise einer GPC-Säule (schematisch)

Probenmoleküle, die zu groß sind, um in die Poren des – kommerziell in verschiedenen Porendimensionen erhältlichen – Trägermaterials einzudringen, werden nicht retardiert und verlassen die Trennsäule als erste. Das erforderliche Elutionsvolumen Ve ist entsprechend klein. Kleine Moleküle werden am stärksten zurückgehalten, da sie in alle Poren des Trägermaterials eindringen können. Probenmoleküle mittlerer Größe können teilweise in die stationäre Phase eindringen und eluieren in Abhängigkeit von ihrer Eindringtiefe in die Poren (Bild 7-3). Bei der GPC sollten keine spezifischen Wechselwirkungen zwischen den Molekülen der Dendrimer-Probe und der stationären Phase auftreten, da dies die Effizienz der Trennung nach dem Ausschlussprinzip mindern kann. Nach der Trennung fließt das Eluat durch einen konzentrationsabhängigen Detektor (z. B. UV/VIS-Detektor), der mit einem Computer gekoppelt ist. Man erhält ein Chromatogramm, welches in erster Näherung die jeweiligen Anteile an Molekülen der Molmasse M widerspiegelt. Wenn Makromoleküle geeigneter Molmasse und enger Molmassenverteilung zur Kalibrierung der Säule zur Verfügung stehen, kann aus den Elutionsvolumina die relative „GPC-Molmasse“ des untersuchten Dendrimers über die Kalibrierfunktion log(M) = f(Ve) bestimmt werden.

7.2. Gel-Elektrophorese

277

GPC in der Dendrimer-Chemie: Da das Trennprinzip der GPC auf der unterschiedlichen Größe (hydrodynamische Volumina) der Moleküle basiert, ist die GPC ideal zur Charakterisierung unterschiedlicher Dendrimer-Generationen. Darüber hinaus kann sie auch zur Detektion von allgemeinen Verunreinigungen (z. B. restliche Monomere, Weichmacher) oder durch fehlerhaftes Dendrimer-Wachstum gebildeter Defektstrukturen dienen (z. B. Dendrimere mit geringerer Generationenzahl, oder Dimere). Die Reinheit des untersuchten Dendrimers kann aus dem Polydispersitäts-Index (Mw/Mn) qualitativ bestimmt werden. Bei der Bewertung des Polydispersitäts-Index ist zu beachten, dass sich Dendrimere mit kleineren Strukturdefekten (z. B. intramolekulare Ringschlüsse, fehlende Endgruppen) in ihrer Größe nicht wesentlich von den strukturperfekten Dendrimeren unterscheiden und deshalb die mittels GPC bestimmten Polydispersitäts-Werte nicht wesentlich beeinflussen. Maßgeblich verantwortlich für steigende Polydispersitäts-Werte mit zunehmender Dendrimer-Generation sind Verunreinigungen durch Dendrimere mit geringerer Schalenzahl sowie durch Dimere, die durch intermolekulare Cylisierungen entstehen können.[14] Ein wesentlicher Nachteil ist, dass es sich bei der herkömmlichen GPC mit RI- (Refraction Index)Detektor um eine Relativmethode zur Molmassenbestimmung handelt. Die ermittelte relative „GPC-Molmasse“ entspricht nur dann der wahren Molmasse des untersuchten Dendrimers, wenn der verwendete Größenstandard auch über ein ähnliches hydrodynamisches Volumen verfügt wie das Probenmolekül. Die in der Regel als Größenstandards verwendeten linearen Polymere sind für die Untersuchung hochverzweigter Makromoleküle jedoch häufig wenig geeignet, da das hydrodynamische Volumen nicht nur von primären, sondern auch von sekundären Strukturfaktoren wie der Molekülkonformation abhängt. So zeigen verschiedene Untersuchungen, dass dann im Falle sphärischer Dendrimere die Molmasse der Dendrimere höherer Generation aufgrund ihrer Kompaktheit (kleines hydrodynamisches Volumen) unterschätzt werden.[15] Diese Eichprobleme können mittlerweile durch Einsatz eines MALS (engl. multiangle light scattering)-Detektors umgangen werden, da der Lichtstreudetektor das Massenmittel der Molmasse Mw jeder Fraktion absolut liefert. Der Einsatz dieses teuren Detektors setzt jedoch voraus, dass das spezifische BrechungsindexInkrement (dn/dc) des zu untersuchenden Dendrimers im Lösungsmittel bekannt ist.

7.2. Gel-Elektrophorese Die Gel-Elektrophorese ist eine bevorzugte Methode in der Biochemie, um verschiedene Arten von Makromolekülen (z. B. Nukleinsäuren, Proteine) zu trennen. Auch in der Dendrimer-Chemie wird sie zur Trennung und als Methode zur Bestimmung der relativen molaren Masse sowie zur qualitativen Beurteilung der Reinheit einer Dendrimer-Probe herangezogen. Bei der Gel-Elektrophorese wandern die in der Probe enthaltenen, geladenen Moleküle unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes durch ein Gel, das eine ionische Pufferlösung enthält. Dabei bewegen sie sich in Richtung der entgegengesetzt geladenen Elektroden. Die Wanderungsgeschwindigkeit (elektrophoretische Mobilität) der einzelnen Moleküle eines Substanzgemischs durch das poröse Gel ist je nach Ladung, Molmasse und Gestalt der Moleküle verschieden. Dadurch wird ein Substanzgemisch in einzelne Fraktionen aufgetrennt, die als Banden sichtbar werden. Die elektrophoretische Mobilität ist ein charakteristischer Parameter für ein geladenes Molekül. Sie ist nicht nur abhängig von den genannten Molekül-Parametern und dem Trägermaterial, sondern wird auch vom verwendeten Lösemittel, von der elektri-

278

7. Charakterisierung und Analytik

schen Feldstärke sowie der Ionenstärke und der Temperatur des verwendeten Puffersystems beeinflusst. Durch Vergleich der Wanderungsstrecke der zu untersuchenden Substanz mit der eines Molmasse-Standards, der in demselben Lauf aufgetragen wurde, lässt sich die relative elektrophoretische Mobilität und damit die relative molare Masse der untersuchten Substanz abschätzen. Für die elektrophoretische Trennung von Dendrimeren wird meist Polyacrylamid-Gel verwendet, welches auf Glasplatten oder Trägerfolien aufgetragen wird (Flachbett-, PlattengelElektrophorese). Die Polyacrylamidgel-Elektrophorese wurde bereits erfolgreich zur Trennung und Quantifizierung von PAMAM-Dendrimeren mit verschiedenen Kerneinheiten, Endgruppen und Generationen eingesetzt, wobei saure oder basische Bedingungen gewählt werden konnten.[16] Als Nachteil der konventionellen Gel-Elektrophorese ist besonders der vergleichsweise hohe Zeit- und Arbeitsaufwand zu nennen. Eine neuere biochemische Technik, die die Stärken der Gel-Elektrophorese und der HPLC kombiniert, stellt die Kapillargel-Eektrophorese dar. Hier wird die elektrophoretische Trennung in Kapillaren mit geringem Innendurchmesser durchgeführt. Die Anwendung der Kapillargelektrophorese hat gegenüber der herkömmlichen Flachbett- und PlattengelElektrophorese den Vorteil, dass wesentlich stärkere elektrische Felder eingesetzt werden können, ohne dass es zu störenden Effekten durch Erwärmung (z. B. Verzerrung der Trennzonen aufgrund thermischer Konvektion, Austrocknen des Gels) kommt. Dadurch verringern sich die Analysezeiten. Außerdem ermöglicht die Kapillargel-Elektrophorese neben höheren Trennleistungen auch eine direkte Detektion in der Kapillare sowie die Automatisierung des Trennverfahrens. Aus diesem Grund erlangte die Charakterisierung mittels KapillargelElektrophorese in den letzten Jahren immer größere Bedeutung auch für den Einsatz von Dendrimeren und deren Konjugaten in Biotechnologie, klinischer Diagnostik und pharmazeutischer Forschung.

7.3 NMR-Spektroskopie Bis heute ist die NMR-Spektroskopie (engl. Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy)[17] die wichtigste analytische Methode in der Chemie, weil sie die Bestimmung der Struktur und Dynamik von Molekülen in Lösung ermöglicht. Darüber hinaus lassen sich auch intermolekulare Wechselwirkungen von Molekülen sowie Wechselwirkungen mit Lösungsmittelmolekülen untersuchen. Anders als andere Spektroskopiearten[18] (z. B. IR, UV), mit denen in der Regel nur bestimmte Charakteristika oder funktionelle Gruppen eines Moleküls erfasst werden können, werden mittels NMR-Spektroskopie die einzelnen Atome eines Moleküls „sichtbar“ gemacht. Entscheidend für die Strukturaufklärung mithilfe der NMR-Spektroskopie ist, dass die bei der Aufnahme eines Spektrums gemessene Resonanzfrequenz eines Atomkerns in einem realen Molekül nicht nur vom externen Magnetfeld abhängt, sondern außerdem von der elektronischen (d. h. chemischen) Umgebung des Atomkerns beeinflusst wird (chemische Verschiebung). Die durch kovalente Bindungen übertragene magnetische Wechselwirkung zwischen chemisch nicht äquivalenten Atomkernen führt zur Feinstruktur in den Spektren der gelösten Moleküle. Anhand dieser skalaren (J-)Kopplung lässt sich die kovalente Verknüpfung von Atomen nachweisen. Die Messung der dipolaren Kopplung, des Kern-Overhauser-Effekts

7.3 NMR-Spektroskopie

279

(NOE; engl. Nuclear Overhauser Effect) ist für die Bestimmung komplexerer Molekülstrukturen nützlich, da er eine Intensitätsänderung der Signale von räumlich banachbarten, aber nicht über chemische Bindungen zusammenhängenden Atomkernen bewirkt. Sofern bereits eine eindeutige Zuordnung der Resonanzen mithilfe von (1D)- oder (2D)-NMR-Messungen erfolgt ist, erlauben solche NOESY-Experimente eine quantitative Abstandsbestimmung von Kernen in verschiedenen Teilen des Dendrimer-Moleküls.

7.3.1 (1D)-NMR-spektroskopische Untersuchungen Während die Festkörper-NMR-Spektroskopie[19] (s. Abschnitt 7.6.3.2) nur eine untergeordnete Rolle bei der Dendrimer-Charakterisierung spielt, wird die eindimensionale (1D-)NMRSpektroskopie von Dendrimeren in Lösung noch immer als Routinemethode bei der Charakterisierung eingesetzt. Die Synthese von Dendrimeren beinhaltet meistens die Wiederholung (Repetition, Iteration) zweier spezieller Reaktionsschritte zum Aufbau einer Generation. Deshalb muss bei Dendrimeren in der Regel zwischen gleichartigen Bausteinen oder mehrfach vorhandenen funktionellen Gruppen unterschieden werden, die nur in der Position innerhalb des DendrimerGerüsts variieren. Trotz ihrer Gleichartigkeit unterscheiden diese sich doch aufgrund ihrer unterschiedlichen Lage innerhalb des Dendrimer-Gerüsts in ihrer Mikroumgebung. Bei kleineren Dendrimer-Generationen vereinfacht die Empfindlichkeit gegenüber der chemischen Umgebung die NMR-spektroskopische Unterscheidung zwischen identischen Gruppen in den inneren und äußeren Schalen. Bei Anwesenheit von Heteroatomen im Dendrimer-Gerüst können neben der 1H-NMR- und der 13C-NMR-Spektroskopie auch weitere NMR-Techniken (z. B. 15N, 19F, 29Si, 31P) zur Charakterisierung der Dendrimere herangezogen werden. Bei einem chiralen Dendrimer von Seebach et al. erwiesen sich die über das Dendrimer-Gerüst verteilten CF3-Gruppen als hervorragende Sonden, da die 19F-NMR-Spektren eine Unterscheidung zwischen inneren und äußeren CF3-Gruppen erlaubten.[20] Die Charakterisierung gelöster Dendrimere mittels routinemäßiger (1D)-NMR-Spektroskopie wird mit steigender Generation zunehmend schwierig. (1D)-NMR-Spektren höherer Dendrimer-Generationen können aufgrund der Vielzahl identischer Gruppen mit unterschiedlicher Mikroumgebung innerhalb des Dendrimer-Gerüsts so breite Signale zeigen, dass eine präzise Zuordnung zu den einzelnen Dendrimer-Schalen nicht mehr möglich ist. Auch Defekte im Dendrimer-Gerüst, wie fehlende Verzweigungseinheiten oder fehlende Endgruppen, lassen sich dann kaum mehr nachweisen. Deshalb lässt sich die strukturelle Perfektion eines Dendrimers höherer Generation alleine mithilfe routinemäßiger (1D)-NMR-Spektroskopie nicht eindeutig belegen. Andererseits darf das Fehlen spezieller Gruppen aufgrund der abnehmenden Sensitivität der NMR-Spektroskopie bei höheren Molmassen auch nicht überbewertet werden. Auch bei der Beurteilung der Reinheit von Dendrimeren ist zu beachten, dass NMRspektroskopische Untersuchungen bei Verunreinigungen von ca. < 5% an ihre Nachweisgrenze stoßen. Zur Verifizierung der strukturellen Perfektion und Reinheit von Dendrimeren sollten daher zusätzlich chromatographische Methoden wie die Gelpermeations-Chromatographie (GPC, SEC; Abschnitt 7.1.2) oder massenspektrometrische Methoden (MALDIMS, ESI-MS) herangezogen werden, die im Abschnitt 7.4 vorgestellt werden.

280

7. Charakterisierung und Analytik

7.3.2 Mehrdimensionale NMR-Spektroskopie in der Dendrimer-Forschung Wachsende Bedeutung für die Charakterisierung von Dendrimeren erlangt auch die mehrdimensionale NMR-Spektroskopie ((2D)-NMR, (3D)-NMR). Durch Einbeziehen einer weiteren Dimension in der (2D)-NMR-Spektroskopie können beispielsweise Resonanzfrequenzen und Spin/Spin-Kopplungsfrequenzen, die im (1D)-NMR-Spektrum a priori nicht mehr zu unterscheiden sind, auf getrennten Frequenzachsen dargestellt und somit separiert werden. In vielen Fällen wurde erst dadurch eine eindeutige Zuordnung der chemischen Verschiebungen ermöglicht. So konnten mithilfe von (3D)-NMR-Experimenten die Schalen eines POPAMDendrimers der dritten Generation plastisch abgebildet und eine vollständige Charakterisierung der Dendrimer-Struktur in Lösung vorgenommen werden.[21,22] Hochaufgelöste mehrdimensionale NMR-Experimente können dem Dendrimer-Chemiker eine Fülle von zusätzlichen Informationen liefern, die über die Bestimmung der Molekülstruktur hinausgehen. Bei der Auswertung von (2D)-NOESY (engl. nuclear overhauser enhancement spectroscopy)-Spektren können anhand der Proton-Proton-NOE-Wechselwirkungen Informationen zur räumlichen Beziehung zwischen Protonen in verschiedenen Teilen des DendrimerGerüsts gewonnen werden. Aus diesen Informationen lässt sich gleichzeitig die vorherrschende Konformation der dendritischen Äste im verwendeten Lösungsmittel ableiten. Darüber hinaus ist eine Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Dendrimer und Lösungsmittel sowie des Lösungsmitteleinflusses auf die räumliche Struktur des Dendrimers möglich.[22] Damit ähnelt der Informationsgehalt solcher NMR-Experimente dem von Kleinwinkel-Streuexperimenten an gelösten Dendrimeren (s. Abschnitt 7.6). Die mehrdimensionale NMR-Spektroskopie wird auch zur Aufklärung von supramolekularen Wirt/Gast-Wechselwirkungen herangezogen. So nutzten Meijer et al. (1D)- und verschiedene (2D)-NMR-Techniken [z. B. (2D)-NOESY, (2D)-TOCSY (engl. Total Correlation Spectroscopy)-NMR] zur strukturellen Charakterisierung eines stabilen Wirt/Gast-Komplexes aus Adamantylharnstoff-funktionalisiertem POPAM-Dendrimer und CyanobiphenylGastmolekülen.[23] Gerade im Zusammenhang mit dem steigenden Interesse an Dendrimeren für medizinische Anwendungen (z. B. für „drug-delivery“) spielen dendritische Wirt/GastSysteme und damit auch die Untersuchung der zugrundeliegenden intermolekularen Wechselwirkungen in Lösung eine immer wichtigere Rolle.

7.3.3 Diffusions-NMR-Spektroskopie Die Diffusions-NMR-Spektroskopie (z. B. PGSE, engl. Pulsed Gradient Spin Echo; STE, engl. Stimulated Echo; DOSY, engl. Diffusion Ordered Spectroscopy) ist eine einfache und genaue Methode zur Bestimmung des Eigendiffusions-Koeffizienten eines Moleküls. Sie wird in der Dendrimer-Chemie vor allem zur Größenbestimmung gelöster Dendrimere eingesetzt, da der Eigendiffusions-Koeffizient über die Stokes-Einstein-Gleichung direkt mit dem hydrodynamischen Radius des Moleküls korreliert ist.[24] Obwohl eindimensionale und mehrdimensionale Diffusions-NMR-Experimente somit einen wichtigen Beitrag zur strukturellen Charakterisierung von Dendrimeren leisten können, fanden sie bis vor kurzem nur relativ selten Anwendung.[25,26] Diffusions-NMR-Experimente von Newkome et al. zeigen, dass die Diffusionskoeffizienten – und damit die hydrodynamischen Radien – Auskunft über den Einfluss äußerer Faktoren (z. B. pH-Wert) auf die Größe und die Gestalt gelöster Dendrimere geben.[26] Da die räumliche

7.4 Massenspektrometrie

281

Struktur eines Dendrimers in Lösung wiederum direkt seine Materialeigenschaften beeinflusst, kann diese NMR-Technik auch einen wichtigen Beitrag zur Aufschlüsselung von Struktur-Aktivitäts-Beziehungen leisten.[27]

7.3.4 Dynamische-NMR-Spektroskopie Es ist bekannt, dass bei biologischen Makromolekülen neben der Struktur auch dynamische Prozesse von großer Bedeutung sind, da die Funktion des Moleküls oft mit Konformationsänderungen einhergeht. Im Zuge der zunehmenden Fokussierung auf Anwendungen vor allem im medizinischen Bereich, gewinnen Untersuchungen zur Moleküldynamik in Lösung auch in der Dendrimer-Forschung an Bedeutung. Die Dynamik der dendritischen Äste kann durch Messungen der 1H- und 13C-Spin-Gitter-Relaxationszeiten (T1) erfasst werden. Voraussetzung ist die vollständige Zuordnung aller Proton- und Kohlenstoff-Resonanzen des zu untersuchenden Dendrimers anhand von (1D)- und (2D)-NMR-Spektren. Da die Mobilität eines Dendrimer-Segments proportional zu seinem T1-Wert ist, kann dann aus dem Größenverlauf der Relaxationszeiten der Protonen und Kohlenstoffkerne in den einzelnen Schichten die Mobilitätsänderung der verschiedenen Dendrimer-Segmente und damit die relative Dichteverteilung über das Dendrimer-Gerüst abgeleitet werden.[28] So zeigt beispielsweise eine Zunahme der 1H- und 13C-Spin-Gitter-Relaxationszeiten beim Übergang von inneren zu äußeren Dendrimer-Schichten bzw. Dendrimer-Segmenten eine zunehmende Bewegungsfreiheit an. Gleichzeitig weist dieses Verhalten auf eine Abnahme der radialen Dichteverteilung innerhalb des Dendrimer-Gerüsts vom Zentrum zur Peripherie des Dendrimers hin.[29]

7.4 Massenspektrometrie Zum Zeitpunkt der ersten „Kaskaden“-Synthese 1978[30] waren die Stossionisations- (EI-; Electron Impact) und Felddesorptions- (FD-)Massenspektrometrie[31] die einzigen verfügbaren massenspektrometrischen Methoden. Die FAB-Massenspektrometrie ist jedoch auf relativ niedrige Massenbereiche beschränkt und für Substanzen geringer Polarität wenig geeignet. Erst die Entwicklung neuer, schonender Ionisationsmethoden, wie MALDI (engl. MatrixAssisted Laser Desorption Ionization)[32] und ESI (engl. Electrospray Ionization)[33] schuf etwa ein Jahrzehnt später die notwendigen Voraussetzungen für den Beginn einer intensiven Forschung auf dem Gebiet der Dendrimer-Chemie. In den folgenden Abschnitten sollen die Besonderheiten dieser massenspektrometrischen Methoden und ihre Bedeutung für die Dendrimer-Analytik verdeutlicht werden.

7.4.1 Sanfte Ionisationsmethoden: MALDI und ESI Bei MALDI wird die Ionisationsenergie von einem gepulsten Laserstrahl aufgebracht. Die zu untersuchende Substanz wird hierzu in einer Matrix (z. B. 2,5-Dihydroxybenzoesäure; 2,4,6Trihydroxyacetophenon) aufgelöst, die im Wellenlängenbereich des verwendeten Lasers (NdYAG: 355 bzw. 266 nm Wellenlänge oder N2-Laser: 337 nm Wellenlänge) absorbiert. Beim Beschießen der Probe mit dem Laserstrahl nehmen die Probenmoleküle entweder direkt die

282

7. Charakterisierung und Analytik

Energie auf (bei vorhandenen Chromophoren), oder es kommt erst im Anschluss an die UVAbsorption durch die Matrix zu einer Energieübertragung auf die Probenmoleküle, wodurch eine schonende Ionisierung erreicht wird. Im Gegensatz zu MALDI beruht ESI auf dem feinen Versprühen einer Probenlösung. Die zunächst gebildeten, elektrisch geladenen Tröpfchen werden rasch desolvatisiert, so dass die einzelnen Dendrimer-Spezies als isolierte Ionen im Massenspektrum beobachtet werden können.

7.4.1.1 Untersuchung von Dendrimeren mittels MALDI- und ESI-MS Mittels MALDI und ESI werden gewöhnlich (quasi)molekulare Ionen in Form von protonierten Dendrimeren und/oder Addukten mit Alkalimetall-Ionen erzeugt. Zu solchen Adduktbildungen kann es kommen, wenn die Dendrimer-Struktur Heteroatome enthält und die Alkalimetall-Ionen als Verunreinigung in der Dendrimer-Probe enthalten sind. Es können aber auch absichtlich Alkalimetall- oder Silbersalze zur Unterstützung der Ionisierung apolarer Dendrimere zugesetzt werden. Besonders MALDI-TOF-MS (engl. Matrix Assisted Laser Desorption Time-of-Flight mass spectrometry) hat sich für die Dendrimer-Forschung als einfache, routinetaugliche Analysetechnik bewährt, da sie sehr geringe Probenmengen im Pico- bis Attomol-Bereich benötigt und der FAB-MS und auch der ESI-MS bei der Ionisation in hohen Massenbereichen deutlich überlegen ist. Zudem werden einfach zu interpretierende Spektren erhalten, die eindeutige Strukturinformationen liefern, da hauptsächlich einfach geladene quasimolekulare Ionen gebildet werden und Fragmentierungen kaum auftreten. Trotz der herausragenden Rolle der MALDI-MS in der Dendrimer-Analytik werden auch zusätzlich moderne ESI-Massenspektrometer zur Synthesekontrolle, der Bestimmung der relativen Molekülmassen sowie zur Untersuchung der Reinheit und Polydispersität von Dendrimeren auch höherer Generation eingesetzt.[34] MALDI-TOF-MS und ESI-MS gehören zu den wenigen analytischen Methoden, die sich zur detaillierten Untersuchung von Strukturdefekten bei Dendrimeren eignen. Wurden Defekte im Dendrimer-Gerüst nachgewiesen, ermöglichen Tandem-MS-Experimente (z. B. CID, engl. Collision Induced Dissociation) gekoppelt mit MALDI- oder ESI-Ionisation eine genauere Unterscheidung verschiedener Typen von Defektstrukturen anhand charakteristischer Fragmentierungsmuster.[35] Aufgrund der hohen Empfindlichkeit und der geringen Gerätebedingten bzw. experimentellen Fehler von typischerweise nur 0,05 % kann sogar das Fehlen einzelner Endgruppen nachgewiesen werden. Meijer et al. setzten ESI-Massenspektrometrie ein, um die Strukturdefekte der POPAM-[36] sowie der PAMAM-Dendrimere[37] eingehender zu untersuchen und zu quantifizieren. Um die Polydispersität und die Reinheit von Dendrimeren, die als prozentualer Anteil defektfreien dendritischen Materials definiert ist, quantitativ bestimmen zu können, müssen die verschiedenen Molekülspezies in der Probe nicht nur zu unterscheiden sein, sondern auch mit ähnlich hoher Effizienz ionisiert und analysiert werden. Aufgrund der Diskriminierung höherer Massen können die relativen Mengen zweier sich stark in ihrer Masse unterscheidender Spezies durch Vergleich der Peakintensitäten nicht quantitativ bestimmt werden.[38] Allerdings erlauben MALDI-TOF- und ESI-Massenspektren in der Regel zumindest eine halbquantitative Aussage zur Reinheit der untersuchten Dendrimer-Probe.

7.4 Massenspektrometrie

Me2N

283

NMe2 SO2

O2S

HN

NH N

SO2 HN

H+ (von DHB)

NH

SO2

O 2S

Me2N

NMe2

N

HN

NH2 N

N

HN

NH

SO 2

O 2S

Me2N

NMe2

H+

Me2N

S O2

SO2

NH

NMe2

DHB

Me2N

N

HN

NH

SO2

O 2S

Me2N

NMe2

H+ H+

Me2N

NMe2

Me2N

Me2N

SO2

O 2S

SO 2

HN

NH

HN

HN

NMe2

DHB (= Nu)

N

HN

HO O S

Me2N

SO2

HN

N

HN

NH2

HN

NH

HN

NH

HN

SO2

O 2S

SO 2

O 2S

SO 2

[M+H]+ m/z 1250

NMe2

Me2N

NMe2

m/z 1017

NH2 HN

N

N NH2

Me2N

m/z 784

Bild 7-4 a) Das MALDI-TOF-Massenspektrum (Matrix: 2,5-Dihydroxybenzoesäure) täuscht eine unvollständige Funktionalisierung der peripheren primären Aminogruppen des POPAMDendrimers mit Dansyl-Einheiten vor; b) Das ESI-FT-ICR-Massenspektrum belegt jedoch die vollständige Funktionalisierung des Dendrimers

Neuere Vergleichsstudien zu den verschiedenen Ionisationstechniken am Beispiel von POPAM- sowie mit peripheren Sulfonamid-Einheiten ausgestatteten POPAM-Dendrimeren zeigen jedoch, dass beide Ionisationsmethoden eine Probenzusammensetzung vortäuschen können, die nicht der Realität entspricht.[39]

284

7. Charakterisierung und Analytik

So führte die Interpretation der an einem FT-ICR (engl. Fourier-Transform Ion Cyclotron Resonance)-Massenspektrometer aufgenommenen ESI-MS Spektren von POPAM-Dendrimeren zu einer drastischen Überschätzung von Defekten in den Probenmolekülen (Bild 7-4). Die MALDI-TOF-Spektren der Sulfonamid-Dendrimere täuschen synthesebedingte Defektstrukturen vor, die aber in Wirklichkeit erst während des Ionisationsprozesses vorwiegend durch Reaktion der peripheren Sulfonamid-Gruppen mit der sauren Matix gebildet werden. Ein scheinbar unbefriedigendes Ergebnis sollte daher stets mithilfe einer zweiten Ionisationsmethode überprüft werden oder es sollten verschiedene MALDI-Matrizen verwendet werden, um eine Fehlinterpretation der Spektren auszuschließen und Gewissheit über die tatsächliche Probenzusammensetzung zu erhalten.

7.5 Röntgen-Kristallstrukturanalyse Die räumliche Gestalt von Dendrimeren lässt sich nicht unmittelbar aus ihrer zweidimensionalen Strukturformel ableiten. Einen Einblick in die dreidimensionale Molekülstruktur ermöglichen jedoch Einkristall-Röntgen-Strukturanalysen.[40] Keine andere Methode erlaubt es, die Konformation der Strukturelemente in den einzelnen Dendrimer-Zweigen – im Kristall – derartig präzise zu bestimmen. Häufig unterbindet jedoch die Flexibilität der dendritischen Äste die Ausbildung eines regelmäßigen Kristallgitters, so dass eine Röntgen-Strukturanalyse von vornherein nicht möglich ist. Eine Möglichkeit, die Flexibilität der dendritischen Äste deutlich einzuschränken, bietet die Einführung Wasserstoffbrücken-Bindungen ausbildender Endgruppen. So konnte ein POPAM-Dendrimer der ersten Generation nach Einführung von Harnstoff-haltigen Endgruppen kristallisiert und Röntgen-kristallographisch untersucht werden.[41] Ein weiteres Problem ist, dass Dendrimere oft als Solvate oder Clathrate, also unter Einschluss von Lösungsmittelmolekülen, kristallisieren. Kristalle dieses Typs sind häufig wenig stabil und zerfallen bei Verdunsten des Lösungsmittels rasch. Diese Eigenschaften von Dendrimeren haben zur Folge, dass bisher nur von wenigen Dendrimeren bis maximal zur zweiten Generation geeignete Einkristalle gezüchtet werden konnten. Die Einkristall-Röntgen-Strukturanalyse war deshalb bislang nur von beschränktem Nutzen für die Strukturaufklärung von Dendrimeren. Bei den meisten in der Literatur zu findenden Beispielen[42a] handelt es sich um Einkristall-Röntgen-Strukturanalysen von starren, formstabilen Polyphenylen-Dendrimeren[42b] oder von Metallo-Dendrimeren[43] wie PolysilanDendrimeren.

7.6 Kleinwinkelstreuung In den letzten Jahren ist in der Dendrimer-Forschung eine zunehmende Konzentration der Forschungsaktivitäten auf die Charakterisierung von Materialeigenschaften von Dendrimeren und deren Nutzung für technische und medizinische Anwendungen zu verzeichnen. Dabei beziehen sich viele der Anwendungsmöglichkeiten auf den Einsatz von Dendrimeren in Lösung. Im Zuge dieser Entwicklung gewinnen die Neutronenkleinwinkel- (SANS; engl. SmallAngle Neutron Scattering)[44] und Röntgen-Kleinwinkelstreuung (SAXS; engl. Small-Angle Xray Scattering)[45] in der Dendrimer-Forschung zunehmend an Bedeutung. So können mit

7.6 Kleinwinkelstreuung

285

diesen Streutechniken Struktur, Größe und Gestalt von Molekülen in der Größenordnung von ca. 1nm bis 1ȝm nicht nur im festen Zustand, sondern auch in Lösung zerstörungsfrei untersucht werden. Die folgenden Abschnitte bieten einen kurzen Einblick in das Prinzip und die Leistungsfähigkeit der SANS- und SAXS-Technik.

7.6.1 Prinzip der Kleinwinkelstreuung Beim SAXS-Experiment dient eine herkömmliche Röntgen-Röhre oder im Idealfall ein Synchroton als Strahlungsquelle. Die für SANS-Eperimente benötigten Neutronen werden dagegen in einer Spallationsquelle oder einem Reaktor erzeugt. Das Prinzip der Kleinwinkelstreuung basiert auf der Wechselwirkung eines einfallenden Röntgen- oder Neutronenstrahls der Wellenlänge Ȝ und der Intensität I0 mit den Streuzentren der gelösten Probenmoleküle. Im Gegensatz zur Röntgen-Strahlung, die an den Elektronen in den Hüllen der Atome gestreut werden, werden die Neutronen an den Atomkernen gestreut. Da ein Dendrimer-Molekül ein Ensemble von unterschiedlichen Streuzentren darstellt, wird die Streuintensität durch die Interferenz der von verschiedenen Streuzentren im Molekül ausgehenden Sekundärwellen bestimmt. Misst man mithilfe eines ortsabhängigen Detektors die Intensität der Sekundärstrahlung in Abhängigkeit vom Streuwinkel, so kann man daraus Strukturinformationen berechnen.

7.6.2 Leistungsfähigkeit der Kleinwinkelstreuung Eine atomare Auflösung der Struktur, wie dies bei Beugungsexperimenten an Einkristallen der Fall ist, liefern weder SANS- noch SAXS-Experimente. Aus den Streudaten können aber Informationen zur mittleren räumlichen Struktur und mittleren Größe aller in der Probe enthaltenen gelösten Moleküle und deren intermolekulare Wechselwirkungen gewonnen werden. Neben dem Gyrationsradius Rg, der als Maß für die mittlere Größe der Teilchen dient, lassen sich auch noch andere wichtige Parameter wie das mittlere Teilchenvolumen VP und das mittlere Molekulargewicht MW aus der in Abhängigkeit vom Streuwinkel gemessenen Streuintensität berechnen. Solche statistischen Informationen über die gesamte Substanz sind oftmals wichtiger als das Bild eines kleinen Ausschnitts, das direkt abbildende Methoden wie die Elektronenmikroskopie (s. Abschnitt 7.8) liefern. Allerdings sind die Kleinwinkelstreu-Techniken zur Untersuchung niedriger DendrimerGenerationen wenig geeignet, da solche Dendrimere nur schwache Streusignale liefern und daher ein hoher Unsicherheitsfaktor gegeben ist. SANS- und SAXS-Experimente sind nicht nur kostenintensiv, sondern sie erfordern auch einen hohen Zeitaufwand und vergleichsweise große Substanzmengen (mehrere 100 mg). Für einen routinemäßigen Einsatz, beispielsweise bei der Bestimmung der molaren Masse von Dendrimeren, kommen diese Methoden daher nicht in Frage. Eine besondere Stärke von SANS gegenüber SAXS ist das unterschiedliche Streuverhalten der Isotope gegenüber Neutronen, das für die Wasserstoff-Isotope H und D besonders stark ausgeprägt ist. Aus diesem Verhalten resultiert der eigentliche Wert der SANS-Technik für die Strukturanalyse an Dendrimeren. So lässt sich durch Deuterium-Markierung definierter Molekülkomponenten (z. B. der peripheren Gruppen) oder Änderung der IsotopenZusammensetzung des Lösungsmittels (z. B. H2O/D2O) der Streuanteil einer Molekülkompo-

286

7. Charakterisierung und Analytik

nente gezielt ausblenden oder verstärken, d. h. es können definierte Kontrasteinstellungen vorgenommen werden (Bild 7-5).

Bild 7-5 Kontrastvariation (schematisch) durch Änderung der Isotopen-Zusammensetzung des Lösungsmittels (z. B. H2O/D2O-Gemisch; nach Ballauff et al.)

Die Kontrastvariation[46] ist eine wichtige Experimentiertechnik in der NeutronenKleinwinkelstreuung. Sie erlaubt über die Größenbestimmung hinaus detaillierte Einblicke in die innere Struktur gelöster Dendrimere und ermöglicht sogar die Lokalisierung ausgewählter Molekülkomponenten, wenn diese zuvor gezielt mit Deuterium markiert wurden.

7.6.3 Strukturanalyse gelöster Dendrimere mit SANS und SAXS Im Mittelpunkt des Interesses stand bislang die Gruppe der flexiblen Dendrimere, zu denen der überwiegende Teil der literaturbekannten Dendrimere gehört, darunter auch die kommerziell erhältlichen POPAM- und PAMAM-Dendrimere mit ihrem aliphatischen Grundgerüst. Wie die folgende Übersicht verdeutlicht, sind besonders in den letzten Jahren mithilfe der Kleinwinkelstreu-Techniken wichtige Erkenntnisse zum Dichteprofil, der räumlichen Struktur und den Wechselwirkungen von Dendrimeren in Lösung gewonnen worden.

7.6.3.1 Radiale Segmentdichte-Verteilung flexibler Dendrimere Besonders die räumliche Struktur von flexiblen Dendrimeren in Lösung wurde in den letzten zwei Jahrzehnten kontrovers diskutiert. Auf der Grundlage einer Vielzahl von SANSExperimenten unter Einsatz der Kontrastvariations-Technik scheint sich nun die einhellige Meinung durchzusetzen, dass isolierte flexible Dendrimere in gutem Lösungsmittel nicht über die ursprünglich vorhergesagte „dichte Schale-Struktur“, sondern über eine „dichte Kern-Struktur“[47] verfügen. Dies bedeutet, dass bei solchen Dendrimeren die Segmentdichte ihr Maximum im Zentrum des Moleküls hat und zur Peripherie hin abfällt (vgl. Bild 7-6).

7.6.3.2 Verteilung der Endgruppen Wichtig im Hinblick auf mögliche Anwendungen ist auch die Lokalisierung der Endgruppen, da die rheologischen Eigenschaften und Oberflächenaktivitäten von Dendrimeren in Lösung wesentlich davon abhängen, ob die Endgruppen über das Dendrimer-Gerüst verteilt oder in der Molekülperipherie lokalisiert sind. Mithilfe der Kontrastvariations-Technik gelang die Lokalisierung von Endgruppen innerhalb eines flexiblen Dendrimer-Gerüsts der vierten Generation. Um in den SANS-Experimenten die Endgruppen vom übrigen Dendrimer-Gerüst unterscheiden zu können, wurde durch selektive Deuterierung der Endgruppen ein hoher

7.6 Kleinwinkelstreuung

287

Kontrast zwischen Endgruppen und innerem Dendrimer-Gerüst eingestellt. Auf diese Weise konnte nicht nur die Verteilung der Endgruppen innerhalb des Molekülgerüsts ermittelt, sondern die theoretisch vorhergesagte partielle Rückfaltung endständiger Dendrimer-Segmente bei flexiblen Dendrimeren auch experimentell eindeutig belegt werden.[48] b)

a)

HN HN

HN

O HN

HN HN O

HN

N

HN O

HN

HN O

O HN

N

HN HN O O HN HN HN O HN O HN HN N O H N N N

N

HN O

N

N

H N O H N

HN O N H HN

N

O N H N H

N

N

N

N

N H O

N

H N

O NH H N

N

N

N

N

H N

O H N

N

N

N

N H O

N

H N O H N

HN

O NH NH

N H

N

N

N NH H O

NH NH O NH

O NH

N

N NH O

O NH

N

N

N H O

O NH

N

N

NH O NH O NH

NH O NH

NH O

NH O NH

NH

NH

NH

NH

NH

Bild 7-6 Lokalisierung der Endgruppen in a) starren, formstabilen und b) flexiblen Dendrimeren, untersucht am Beispiel von Polyphenylen-Dendrimeren und POPAM-Dendrimeren mit peripheren Phenylharnststoffgruppen (in N,N-Dimethylacetamid); die Grauabstufung verdeutlicht gleichzeitig den Verlauf des Dichteprofils (dunkel: höhere Dichte; hell: weniger dichte Anordnung von Atomen im Molekül). Oben: schematisch; unten: zugehöriger konkreter Dendrimer-Typ

Im Gegensatz zu den flexiblen Dendrimeren weisen solche der vierten Generation mit steifem Molekülgerüst erwartungsgemäß eine dichte Schale-Struktur[49] auf, in der alle Endgruppen in der Molekülperipherie lokalisiert sind (Bild 7-6). Dies konnte in KontrastvariationsExperimenten zusammen mit Festkörper-NMR-spektroskopischen Untersuchungen an Polyphenylen-Dendrimeren gezeigt werden.[50]

288

7. Charakterisierung und Analytik

Für den in Kapitel 4.1.5.3 erwähnten Dendrimer-Typ mit Stilben-Gerüst und langkettigen Endgruppen ergab sich aufgrund von SAXS- und SANS-Untersuchungen von Ballauff et al. in Lösung eine Scheibchen-artig abgeflachte Molekülgestalt.[51] NMR-spektroskopische Untersuchungen von Dendrimeren können vergleichbare Informationen liefern. So nutzten Wooley et al. REDOR- (engl. Rational Echo Double-Resonance) Festkörper-NMR-Experimente zur Untersuchung der Dichteverteilung und der Rückfaltung endständiger Gruppen in Poly(benzylether)-Dendrimeren der fünften Generation.[52] Besonders für den Einsatz von Dendrimeren als „drug-carrier“ in der Medizin wäre die Möglichkeit, das Dichteprofil von Dendrimeren in Lösung gezielt zu verändern sowie Konformationsänderungen zu induzieren, wichtig. Damit könnte sich die Chance zur Entwicklung effektiver Mechanismen für eine kontrollierte Wirkstoff-Freisetzung bieten. Die Aufdeckung möglicher Steuerungsmechanismen ist daher eine der zentralen Problemstellungen, die die Dendrimer-Forschung mithilfe von theoretischen Berechnungen, SANS- und SAXSExperimenten und mehrdimensionalen NMR-Techniken zu klären hofft. Besondere Aufmerksamkeit erfährt in diesem Zusammenhang die gezielte Modifizierung der chemischen Natur, Größe und/oder Form der Endgruppen bei der Synthese und das Verhalten der verschiedenen Moleküle in Lösung in Abhängigkeit von der Lösungsmittelqualität und dem pH-Wert.

7.6.3.3 Intermolekulare Wechselwirkungen flexibler Dendrimere in Lösung Auch die Analyse der effektiven Wechselwirkung zwischen flexiblen Dendrimeren in Lösung und ihre Veränderung mit zunehmender Konzentration in Lösung war Gegenstand von Simulationen, theoretischen Analysen und vereinzelten SANS-Untersuchungen.[53] Ballauff, Vögtle et al. gelang es, die effektive Wechselwirkung zwischen gelösten Teilchen direkt aus experimentellen Daten zu ermitteln.[54] Die Auswertung der Streudaten und der anschließende Vergleich mit theoretischen Modellen ergab, dass sich die untersuchten flexiblen Dendrimere der vierten Generation entsprechend ihrer fluktuierenden Struktur in Lösung wie weiche Teilchen verhalten, deren Wechselwirkung bis zur „Überlappkonzentration“ (Konzentration ab beginnendem Kontakt zweier Teilchen in Lösung) durch ein Gauß-Potential beschrieben werden kann. Die mittels SANS und SAXS – oftmals auch in Kombination mit Simulationen und theoretischen Analysen – gewonnenen Informationen können zu einem tiefgreifenderen Verständnis der räumlichen Struktur, Dynamik und Wechselwirkungen flexibler Dendrimere in Lösung beitragen und wichtige Informationen zur Beziehung zwischen Größe, Gestalt und innerer Zusammensetzung solcher Dendrimere liefern. Die gewonnenen Erkenntnisse sind zudem für die Aufstellung von Struktur-Reaktivitäts-Beziehungen wertvoll. Sie können dabei helfen, das Verhalten flexibler Dendrimere in Lösung und deren Eignung für bestimmte Anwendungen im Vorfeld besser abzuschätzen, und zeigen erste Ansatzpunkte für mögliche Steuerungsmechanismen auf.

7.7 Rastersonden-Mikroskopie Dendrimere sind aufgrund ihrer kontrollierbaren Größe, Geometrie und Funktionalität zur Oberflächenmodifikation und zur Vergrößerung von (aktiven) Oberflächen von Interesse.

7.7 Rastersonden-Mikroskopie

289

Eine gezielte Kontrolle der Oberflächenstruktur setzt jedoch ein Verständnis der Dendrimer/Dendrimer- und der Dendrimer/Oberflächen-Wechselwirkungen sowie Kenntnisse über die Struktur des Dendrimers im Festzustand voraus. Rastersonden-Mikroskopie-Methoden (SPM, engl. Scanning Probe Microscopy),[55] wie die Rastertunnel-Mikroskopie (STM, engl. Scanning Tunneling Microscopy)[56] und die Kraftfeld-Mikroskopie (AFM; engl. Atomic Force Microscopy)[57] können zur Visualisierung von Oberflächenstrukturen bis hin zur Abbildung isolierter Einzelmoleküle in diversen Umgebungen (Luft, Gas, Flüssigkeit) sowie zur Untersuchung ihrer chemischen und elektronischen Eigenschaften herangezogen werden. Das Prinzip der SPM basiert auf einem Abtasten der auf der Oberfläche adsorbierten Moleküle, wobei Bildauflösungen bis in den Subnanometerbereich erreicht werden können. Für die moderne Oberflächenanalytik und die Nanotechnologie ist die Rastersonden-Mikroskopie damit unverzichtbar geworden. In der Dendrimer-Forschung hat die STM und besonders die AFM zunehmende Bedeutung bei der Untersuchung wichtiger Strukturparameter (z. B. Größe, Konformation, Steifigkeit) von Dendrimeren sowie der Selbstorganisation adsorbierter Dendrimere und Dendrons erlangt.[58] Die mittels AFM bzw. STM beobachteten Strukturen in Oberflächenbelegungen aus dendritischen Molekülen reichen von isolierten Einzelmolekülen über Domänenmuster („domain patterns“) und selbstorganisierten Monoschichten bis hin zu komplexeren Architekturen (z. B. Nanofasern, dreidimensionale Cluster).[59] In den folgenden Abschnitten werden die einzelnen Methoden und deren Vor- und Nachteile sowie einige Beispiele für STM- und AFM-Untersuchungen an Dendrimeren näher vorgestellt.

7.7.1 STM und AFM Zur Präparation der Dendrimere für STM- oder AFM-Untersuchungen stehen verschiedene Methoden zur Verfügung. Eine kontrollierte Abscheidung auf festen Substraten (z. B. Glimmer, Glas, Silicium, Graphit, Gold u.a.) konnte unter anderem durch spin-coating[60] (gleichmäßige radiale Verteilung einer gelösten Substanz auf einer rotierenden Scheibe mittels Fliehkraft) und der Abscheidung aus schnell verdampfenden organischen Lösungsmitteln[61] erreicht werden. Bei einem STM-Experiment wird die auf einem leitfähigen Substrat (z. B. hochgeordneter pyrolytischer Graphit (HOPG)) abgeschiedene Dendrimer-Probe zeilenweise mit einer feinen leitfähigen Mikroskopierspitze (engl. tip) abgerastert. Ein piezoelektrischer Scanner bewegt hierfür je nach Messmethode entweder die Mikroskopierspitze über die Probenoberfläche oder die Probe unter der feststehenden Spitze. Die Mikroskopierspitze wird so nahe an die zu untersuchende Probenoberfläche herangebracht, dass sich die Elektronenwolken ihrer Atome „berühren“. Wird zwischen der Probenoberfläche und der Mikroskopierspitze eine elektrische Spannung angelegt, so fließt nach den Regeln der Quantenmechanik ein Strom. Die Stärke dieses Tunnelstroms hängt von der elektronischen Struktur der Probenoberfläche sowie in exponentieller Weise von der Entfernung zwischen Spitze und Probe ab. Die Messung kann bei konstanter Abtasthöhe (CHM; engl. Constant-Height-Method) oder bei konstantem Tunnelstrom (CCM; engl. Constant Current Method) vorgenommen werden. Beim CHMVerfahren kann anhand der Stärke des Tunnelstroms für jeden Rasterpunkt der Abstand der Mikroskopierspitze zur Probenoberfläche rekonstruiert werden (Bild 7-7). Die registrierten Werte werden von einem Computer in Falschfarbendarstellung wiedergegeben, wobei ein

290

7. Charakterisierung und Analytik

dreidimensionales Bild der Oberfläche erstellt wird. Beim CCM-Verfahren lässt sich über die Position der Spitze das dreidimensionale Bild der Oberfläche rekonstruieren. Der Kontrast in STM-Aufnahmen spiegelt sowohl die Topographie als auch die lokale elektronische Zustandsdichte auf einem Ausschnitt der Probenoberfläche wider. a)

b)

It

It

Spitze (tip)

Uz

Spitze (tip)

Uz Probe

Probe

I

z z = const.

I = const.

x

x

Bild 7-7 Betriebsarten der Rastertunnel-Mikroskopie. a) bei konstanter Abtastdistanz (z); b) bei konstantem Tunnelstrom (I)

Die AFM (engl. Atom Force Microscopy) ist zwar grundsätzlich der STM an Auflösung unterlegen, hat aber den Vorteil, auch isolierende Materialien als Substrate verwenden zu können. In der AFM werden die zwischen der Spitze und der Probenoberfläche auftretenden Kräfte detektiert. Dabei wird die Mikroskopierspitze, die auf einem elastisch biegsamen Hebelarm (engl. Cantilever) montiert ist, über die Probe gerastert. Die AFM kann im Kontaktmodus, der die repulsiven Kräfte nutzt, sowie im Nicht-Kontaktmodus, der die attraktiven Kräfte nutzt, betrieben werden. Im Kontaktmodus hat die Mikroskopierspitze direkten Kontakt mit der Probenoberfläche (Bild 7-8). Dabei wird die Spitze entweder in konstanter Höhe über die Probenoberfläche geführt (CHM, s. o.) oder die Probe wird bei konstanter Kraft auf den Hebelarm abgerastert (CFM; engl. Constant Force Mode). Beim CHM-Verfahren wird die dreidimensionale Abbildung der Oberflächengeometrie aus der über Laserreflektion detektierten Auslenkung des Hebelarms erstellt.

7.7 Rastersonden-Mikroskopie

291

h

Laser

h

Spiegel

Spitze

Cantilever

Cantilever

Probe

x

Bild 7-8 Prinzip der Kraftfeld-Mikroskopie (AFM)

Beim CFM-Verfahren erfolgt die Rekonstruktion auf Grundlage der Bewegung des Piezoelements, welches die absolute Entfernung zwischen Spitze und Probe nachregelt. Im NichtKontaktmodus wird der Hebelarm durch ein weiteres piezoelektrisches Element leicht oberhalb seiner Resonanzfrequenz in Schwingung versetzt und der Probe angenähert, ohne dass es zu einem direkten Kontakt kommt. Anziehende Kräfte – vor allem van-der-Waals-Wechselwirkungen – zwischen Spitze und Probenoberfläche reduzieren die Schwingungsfrequenz und die Schwingungsamplitude des Hebelarms. Diese Amplitude dient bei der Erstellung des topographischen Bildes als Maß für die Höhe des untersuchten Objekts und kann ebenfalls über Laserreflektion detektiert werden. Nach einem ähnlichen Prinzip funktioniert auch der intermittierende Kontaktmodus (tapping mode). Hier sorgt eine Anregungsfrequenz leicht unterhalb der Resonanzfrequenz des Hebelarms für eine geringfügig größere Schwingungsamplitude, so dass die Mikroskopierspitze die Probenoberfläche zeitweise berührt.

7.7.1.1 AFM-Aufnahmen von Dendrimeren Mittels AFM wurden bislang unter anderem selbstorganisierte Strukturen von flüssigkristallinen Carbosilan-Dendrimeren auf Silicium-, Glas- und Glimmeroberflächen,[62] Alkyl-[63] und unsubstituierte[64] Polyphenylen-Dendrimere auf Graphit-, und Carbonsäure-funktionalisierte Polyphenylen-Dendrimere auf Gold-Oberflächen[65] untersucht. Systematische AFMUntersuchungen wurden auch an adsorbierten PAMAM-Dendrimeren auf Glimmer-, Graphitund Gold-Oberflächen vorgenommen, um die Molekülgröße zu bestimmen. Die anhand der AFM-Abbildungen von Einzelmolekülen bestimmten Durchmesser und Höhen wurden zudem zur Berechnung der Volumina von Dendrimeren verschiedener Generation genutzt[66]. Anhand der ermittelten Volumina ließen sich die molaren Massen sowie die Polydispersität von PAMAM-Dendrimeren verschiedener Generation abschätzen. Darüber hinaus wurde der Einfluss des Substrats und des pH-Werts der Lösung auf die Größe und Gestalt von PAMAM-Dendrimeren diskutiert.[60b] Bei der Bestimmung von Strukturparametern verschiedener flexibler Dendrimere anhand von AFM-Bildern hat sich gezeigt, dass die Natur des verwendeten Substrats entscheidenden Einfluss auf das Ergebnis haben kann. So wurde beobachtet, dass sich „weiche“ Dendrimere (z. B. PAMAM-Dendrimere) aufgrund ihrer hohen Flexibilität und/oder Wechselwirkungen mit dem Substrat auf Glimmer-, Gold- und PlatinOberflächen flachmachen.[66, 67] Dadurch kommt es zu einer Unterschätzung der Höhe der Oberflächenbelegungen und zu einer Überschätzung des Durchmesser solcher Dendrime-

292

7. Charakterisierung und Analytik

re.[68] Nach AFM-Untersuchungen von Müllen et al. tritt diese Problematik bei Oberflächenbelegungen aus starren, formresistenten Polyphenylen-Dendrimeren nicht auf.[64a, 69] Voraussetzung für das Erreichen einer hohen Auflösung ist eine stabile Oberflächenbelegung, die durch die Mikroskopierspitze nicht gestört wird. Da „weiche“, flexible Dendrimere gegenüber Verformungen durch die Mikroskopierspitze anfällig sind, spielt die Steifigkeit des Dendrimers auch bei der Auswahl des AFM-Betriebsmodus eine Rolle. Theoretisch weniger auflösungsstark als der Kontaktmodus, aber weitaus schonender für die Probe und daher für Dendrimere unterschiedlicher Steifigkeit geeignet, ist die Messung im NichtKontaktmodus. Für die schonende Untersuchung flexibler, weicher Dendrimere stellt der intermittierende Kontaktmodus in der Regel den idealen Kompromiss dar. Er kombiniert geringe Auflagekräfte auf der Probenoberfläche mit guter Auflösung sowie mittlerer Messgeschwindigkeit und vereinigt damit die Vorteile des Kontakt- mit denen des NichtKontaktmodus.

7.7.1.2 STM-Aufnahmen von Dendrimeren Aromaten-reiche wie Fréchet- oder Polyphenylen-Dendrimere sind ideal für die Abbildung mittels STM, da die Aren-Einheiten einen hohen Kontrast im STM liefern. Auf einer GraphitOberfläche physisorbierte heptanukleare Ru(II)-Dendrimere auf Phenanthrolin- und Hexaazatriphenylen-Basis konnten mittels STM in submolekularer Auflösung abgebildet werden.[70] Weitere STM-Untersuchungen galten unter anderem der Selbstorganisation von Thiophen-Dendrimeren[71] und Octyl-terminierten Fréchet-Dendrons auf Graphit-Oberflächen[72] sowie der Metallionen-initiierten Selbstorganisation von PAMAM-Dendrimeren mit peripheren Terpyrdin-Einheiten auf Graphit-Oberfläche.[73]

7.8 Transmissions-Elektronenmikroskopie Die Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM, engl. Transmission Electron Microscopy) ist im Prinzip universell einsetzbar und wird in der Biologie und Medizin ebenso benutzt wie in den Materialwissenschaften und der Dendrimer-Forschung. Mit moderner TEM können Abbildungen erzeugt werden, die Abstände im atomaren Bereich erkennen lassen.

7.8.1 TEM In der Transmissions-Elektronenmikroskopie wird von einer Kathode (z. B. Wolframdraht) unter Hochspannung ein Elektronenstrahl emittiert. Die Wellenlänge dieses Elektronenstrahls hängt von der Höhe der angelegten Beschleunigungsspannung ab, die die Elektronen in Richtung der Anode beschleunigt. Um eine Absorption des Elektronenstrahls durch Gas-Teilchen zu verhindern, wird unter Hochvakuum gearbeitet. Leistungsstarke Elektromagneten, die wie optische Linsen wirken, dienen der Formung des Elektronenstrahls. Beim Durchtritt der Elektronen durch die Probe, die zu diesem Zweck sehr dünn sein muß, kommt es zu inelastischer und elastischer Streuung an den Probenatomen. Das vergrößerte Abbild der Probe, das durch die Wechselwirkung des einfallenden Elektronenstrahls an den Probenatomen entsteht, wird auf einem Fluoreszenz-Schirm dargestellt und kann auf einem photographischen Negativ oder einer CCD-Kamera aufgezeichnet werden.

7.8 Transmissions-Elektronenmikroskopie

293

7.8.1.2 TEM-Aufnahmen von Dendrimeren Grundsätzlich sind aussagekräftige TEM-Abbildungen von Dendrimer-Molekülen nur dann möglich, wenn die Dendrimere gegenüber dem hochenergetischen Elektronenstrahl stabil sind. Das entscheidende Problem bei der elektronenmikroskopischen Untersuchung von Dendrimeren besteht aber in erster Linie darin, isolierte Dendrimere von der Umgebung zu unterscheiden. Je geringer nämlich die mittlere Ordnungszahl der im Dendrimer-Gerüst enthaltenen Atome ist, desto schwächer erscheint der Kontrast. Deshalb werden vor allem elektronen-reiche Metallo-Dendrimere[74] mittels TEM gut abgebildet. Auch bei der Untersuchung der Größe und Stabilität dendritisch-stabilisierter Palladium-, Gold- oder Silber-Nanopartikel hat sich TEM bewährt[75] (s. Bild 7-9).

S

S

S

Cl H N

S

S

HAuCl4 x H2O NaBH 4 Toluen/H 2O

S

S

S

S

Bild 7-9 Dendritischer Phasentransfer-Katalysator nach Vögtle et al. (links); TEM-Aufnahme der dendritisch stabilisierten Gold-Nanopartikel (schwarz) nach Reduktion der Goldsalzlösung in der organischen Phase

Bei nicht Metall-haltigen Dendrimeren ist das Streuvermögen der Probe und damit der Kontrast für TEM-Abbildungen normalerweise nicht ausreichend. Deshalb wird in der Regel eine Negativ-Kontrastierung (negative staining) solcher Dendrimere vorgenommen, indem die Dichte des Untergrunds durch Zugabe von Elektronen stark streuenden Materialien (z. B. Uranylacetat, Osmiumtetroxid), erhöht wird (Bild 7-10). Nach entsprechender Kontrastierung konnten einzelne Moleküle nicht Metall-haltiger Dendrimere vorwiegend höherer Generation abgebildet[15, 76] und Gestalt und Größe der Moleküle untersucht werden. In der Regel geben TEM-Abbildungen die zweidimensionale Gestalt des Moleküls korrekt wieder, liefern im Gegensatz zu AFM-Aufnahmen aber nur wenig Infomationen über die Höhe des Moleküls. Daher werden beide Mikroskopiertechniken häufig kombiniert.

294

7. Charakterisierung und Analytik

a)

Elektronen

Objekt (Dendrimer-Molekül)

b)

Elektronen

aufgebrachter Kontrast

Objekt (Dendrimer-Molekül)

Helligkeit auf dem Bildschirm

Helligkeit auf dem Bildschirm

Kohlefolie als Oberfläche

Bild 7-10 Prinzip der Negativ-Kontrastierung (negative-staining) von Molekülen auf Oberflächen. a) ohne Kontrast; b) Negativ-Kontrastierung

7.9 Chiroptische Messmethoden Beim Einsatz chiroptischer Messmethoden in der Dendrimer-Forschung wird die charakterischtische Eigenschaft der optischen Aktivität von chiralen Dendrimeren für ihre strukturelle Charakterisierung genutzt. Der Begriff chiroptisch kennzeichnet grundsätzlich solche spektroskopischen Methoden, die für beide Enantiomere einer chiralen Verbindung Meßwerte mit entgegengesetztem Vorzeichen liefern.[77] Zu den wichtigsten chiroptischen Methoden gehört die Messung der Optischen Rotationsdispersion (ORD) und des Circulardichroismus (CD). In den folgenden Abschnitten wird zunächst auf die Grundlagen chiroptischer Messmethoden und deren Anwendung eingegangen, um im Anschluss die chiroptischen Eigenschaften dendritischer Strukturen – so weit dies möglich ist – in allgemeinen „Regeln“ zusammenzufassen.

7.9.1 Optische Rotationsdispersion und Circulardichroismus Die Optische Rotationsdispersion (ORD) oder auch Circulare Doppelbrechung beruht auf der unterschiedlichen Brechung von links und rechts circular polarisiertem Licht durch optisch aktive Medien.[78] Trifft linear polarisiertes Licht auf ein optisch aktives Medium, so bewegen sich die beiden circular polarisierten Teilstrahlen aufgrund ihrer verschiedenen Brechungsindizes mit unterschiedlicher Geschwindigkeit in dem optisch aktiven Medium

7.9 Chiroptische Messmethoden

295

fort.[79] Dadurch kommt es zu einer Phasenverschiebung der beiden circular polarisierten Teilstrahlen und damit zu einer Drehung der Polarisationsebene des ausfallenden Lichts um einen Winkel Į. Dabei ist das Ausmaß der Drehung proportional der Differenz der Brechungsindizes für das rechts- und links-circular polarisierte Licht: Į = (180 ·(Șl-Șr) ·l)/Ȝ0 (Į: Drehwinkel in Grad: Șl,Șr Brechungsindices für links und rechts circular polarisiertes Licht; l: Länge des durchstrahlten Mediums; Ȝ0: Wellenlänge im Vakuum)

Für die konzentrationsabhängigen, in Lösung gemessenen, spezifischen Drehwerte [Į] gilt: [Į]TȜ= Į/(l·c) (Į: Drehwinkel in Grad: l: Schichtdicke in dm; c: Konzentration in g/ml)

Besonders bei vergleichenden chiroptischen Untersuchungen an Dendrimeren einer Serie ist zu beachten, dass zwischen den Dendrimeren in der Regel große Massenunterschiede bestehen und sich die spezifischen Drehwerte [Į] mit der Konzentration der gemessenen Lösung verändern. Deshalb ist es häufig sinnvoller, anstelle des spezifischen Drehwerts [Į] den auf ein Mol berechneten molaren Drehwert [ĭ] zu betrachten. [ĭ] = 0,01· [Į] · M Mißt man die Abhängigkeit des Drehwinkels Į von der Wellenlänge außerhalb des Absorptionsbereiches der untersuchten optisch aktiven Substanz, erhält man einfache ORD-Kurven, die durch eine monotone Zunahme oder eine monotone Abnahme des Drehwinkels von langen zu kurzen Wellenlängen des Messlichtes charakterisiert sind. Dieses Verhalten bezeichnet man als „normale ORD“. Wird die Abhängigkeit des Drehwinkels Į von der Wellenlänge hingegen im Bereich der Absorptionsbande der zu untersuchenden, optisch aktiven Substanz gemessen, beobachtet man in diesem Bereich eine Überlagerung der normalen ORD-Kurve durch einen s-förmigen Anteil. Verantwortlich für diese anomale ORD ist die Überlagerung durch Circulardichroismus-Effekte. Anders als die ORD beruht der Circulardichroismus (CD) auf dem unterschiedlichen Absorptionsvermögen einer optisch aktiven Verbindung für die beiden circular polarisierten Teilstrahlen des eingestrahlten Lichts. Das Zusammenwirken von anomaler ORD und CD wird unter der Bezeichnung Cotton-Effekt zusammengefasst. Cotton-Effekte können deshalb sowohl durch Messung der Rotationsdispersion als auch des Circulardichroismus bestimmt werden. Bei einer ORD-Kurve wird von einem positiven Cotton-Effekt gesprochen, wenn der „Gipfel“ der Kurve bei höheren Wellenlängen liegt als das „Tal“ (Bild 7-11). Zur Messung des Circulardichroismus wird die Differenz ǻİ der Absorption (İ) von linksund rechts-circular polarisiertem Licht bestimmt und gegen die Wellenlänge aufgetragen. Das CD-Spektrum zeigt bei bestimmten Wellenlängen entweder einen negativen (ǻİ < 0) oder positiven (ǻİ > 0) Cotton-Effekt. Der Circulardichroismus wird aber nicht nur durch das Vorzeichen, sondern auch durch die Parameter ǻİmax (ǻİ im Maximum der Absorption), Ȝmax

296

7. Charakterisierung und Analytik

(Ȝ des Absorptionsmaximus) und durch die Kurvenform (z. B. Feinstruktur) charakterisiert (Bild 7-11). Welcher Anteil des linear polarisierten Lichts von der optisch aktiven Substanz absorbiert worden ist, und in welchem Umfang, ist dabei abhängig vom Molekülbau, d. h. von der Chiralität der Stereozentren in nächster Umgebung des absorbierenden Chromophors. Ein großer Vorteil der chiroptischen Messmethoden ist, dass sie mit weniger als mg-Mengen an Substanz auskommen und diese nach der Messung (zerstörungsfrei) zurückgewonnen werden können. positiver Cotton- Effekt

negativer Cotton- Effekt

'H ORD



ORD

CD O CD

_

H UV

UV

Wellenlänge O

Bild 7-11 Vergleich von ORD- (grün) und CD-Banden (rot) positiver (linke Seite oben) bzw. negativer Cotton-Effekte (rechte Seite oben); im unteren Teil ist das zugehörige UV/visAbsorptionsspektrum (schwarz) wiedergegeben. Der untersuchte Wellenlängenbereich umfasst normalerweise 180-700 nm

Wenn innerhalb des Dendrimer-Moleküls zwei (oder mehrere benachbarte) ausgeprägte Chromophore in einer chiralen Anordnung zueinander liegen, zeigt das CD-Spektrum zwei ineinander übergehende intensive Cotton-Effekte entgegengesetzten Vorzeichens.[80] Diese als Exciton-Couplet bezeichnete Erscheinung im CD-Spektrum basiert auf der Wechselwirkung zweier elektronischer Übergangsmomente in chiraler Orientierung zueinander, wie dies beispielsweise bei helikalen Strukturen der Fall ist. In solchen Fällen kann sogar die absolute Konfiguration des Moleküls (oder Supramoleküls) – mit geringsten Substanzmengen (<1 mg) – zerstörungsfrei – ermittelt werden.[11, 81]

7.9 Chiroptische Messmethoden

297

7.9.2 Chiroptische Untersuchungen an chiralen dendritischen Strukturen Die Beziehung zwischen der Chiralität der dendritischen Bausteine und der Chiralität des Gesamtmoleküls zu verstehen, ist von essentieller Bedeutung für die Entwicklung neuer, dendritischer Materialien, deren Eigenschaften und Funktion von ihrer Chiralität auf makroskopischer Ebene abhängen.[82] Die meisten der bislang publizierten chiroptischen Untersuchungen an verschiedenen Typen von chiralen Dendrimeren dienten daher der Aufklärung dieser Beziehung (s. Kapitel 4.2). Trotz der großen Zahl an Untersuchungen haben sich die chiroptischen Daten aber bislang als schwer vorhersagbar erwiesen, da sie von verschiedensten Faktoren abhängen. Solange die Analyse chiroptischer Daten jedoch keine klare Aussage zulässt, kann anders als bei einfachen chiralen Molekülen der voraussichtliche Nutzen chiroptischer Untersuchungen auch noch nicht vollständig zur strukturellen Charakterisierung chiraler Dendrimere ausgeschöpft werden. Auf Grundlage der bislang vorliegenden Untersuchungen lassen sich dennoch folgende allgemeine „Regeln“ über den Zusammenhang zwischen der molekularen Chiralität der dendritischen Bausteine und der makroskopischen Chiralität des Dendrimers aufstellen. Aus einem regelkonformen bzw. anomalen Verhalten lassen sich Informationen zur konformativen Ordnung von Dendrimeren ableiten: x

Der Beitrag einzelner chiraler Bausteine zum Gesamtdrehwert des Dendrimers bleibt bei flexiblen dendritischen Strukturen unabhängig von der Generationszahl annähernd konstant.

Bei Dendrimeren und Dendrons, deren hochflexible Struktur durch ein dynamisches Gleichgewicht der Konformere beschrieben werden kann, kommt es also in der Regel zu keiner bemerkenswerten Aufhebung oder Verstärkung des Drehwerts durch den Einfluss der dendritischen Äste. Ein anomales Verhalten des molaren Drehwerts in Abhängigkeit von der Generation kann grundsätzlich auf die Existenz chiraler Unterstrukturen in den Dendrimer-Zweigen hinweisen. In vielen Fällen treten solche Anomalien aber lediglich als Folge konstitutioneller Unterschiede zwischen den chiralen Bausteinen auf, die in den verschiedenen Teilen des Dendrimers einer unterschiedlichen lokalen Umgebung ausgesetzt sind. CD-spektroskopische Untersuchungen können häufig genauere Hinweise auf die Ursachen geben. x

Der Gesamtdrehwert eines Dendrimer-Moleküls ergibt sich annähernd additiv aus den konstanten Beiträgen der einzelnen chiralen Bausteine des Dendrimers.

Dies weist darauf hin, dass die gemessene molare optische Drehung durch die chiralen Bausteine hervorgerufen wird und nicht durch eine stabile konformative Anordnung des Dendrimer-Gerüsts.[83] Zu Abweichungen von dieser „Additivitätsregel“ kommt es, wenn sich der Beitrag einzelner chiraler Bausteine zum Gesamtdrehwert aufgrund konstitutioneller Unterschiede zwischen den chiralen Bausteinen mit der Generation ändert oder die konformativen Gleichgewichte der freien monomeren, chiralen Bausteine durch die Einbindung in ein Dendrimer-Gerüst signifikante Änderungen erfahren. (s. obige Regel).[84]

298

7. Charakterisierung und Analytik

x

Sterische Packungseffekte können Regel 1 und 2 aufheben.

Unter dem Einfluss der sterischen Hinderung der dendritischen Äste können die chiralen, monomeren Bausteine im Dendrimer in eine Konformation gezwungen werden, die die entsprechenden freien, monomeren Bausteine nicht einnehmen würden. Dies hat beispielsweise bei kernchiralen Dendrimeren eine Abnahme der molaren Drehwerte mit wachsender Dendrimer-Generation zur Folge.[85] Man spricht in diesem Fall von einer „Verdünnung“ der optischen Aktivität als Folge der Anknüpfung inhärent achiraler Dendrimer-Zweige. Eine signifikante Beeinflussung des konformativen Gleichgewichts der chiralen monomeren Bausteine sollte sich nicht nur bei den Drehwerten, sondern auch durch Änderungen in den CDSpektren bemerkbar machen. x

Intramolekulare Wechselwirkungen oder Wechselwirkungen mit anderen Molekülen können Regel 1 und 2 aufheben.

Spezifische attraktive Wechselwirkungen zwischen den Dendrimer-Bausteinen (z. B. Wasserstoffbrücken-Bindungen zwischen Aminosäure-Bausteinen) oder die Komplexierung von Metall-Ionen[86] durch geeignete funktionelle Gruppen im Dendrimer-Gerüst können die Ausbildung von chiralen Unterstrukturen begünstigen und eine Verzerrung oder Faltung der Gesamtstruktur herbeiführen. Auch Wechselwirkungen mit Lösungsmittelmolekülen können die Gesamtstruktur stark beeinflussen. Wie die obige Aufstellung zeigt, ergeben sich durch Vergleich der molaren Drehwerte verschiedener Dendrimer-Generationen (geteilt durch die Anzahl der chiralen Bausteine im Dendrimer) mit denen der korrespondierenden, chiralen Monomere oder geeigneter ModellVerbindungen Informationen zur konformativen Ordnung der Dendrimere. Die Messung des Circulardichroismus erlaubt sogar die Aufklärung relativ kleiner struktureller Änderungen. Die CD-Spektroskopie eignet sich auch zur Lösung spezieller anwendungsrelevanter Fragestellungen. Bei der Untersuchung der Sensoreigenschaften chiraler Dendrimere wird ausgenutzt, dass die Komplexierung chiraler Gastmoleküle Änderungen in den CD-Banden des Wirt-Dendrimers induziert. Somit geben Gast-selektive chiroptische Effekte, die im Rahmen von Titrationsexperimenten mit enantiomeren Gastmolekülen beobachtet werden, Aufschluss über das Potential des chiralen Dendrimers, als enantioselektiver Sensor zu fungieren.[87]

7.10 Zusammenfassung Die folgende Zusammenfassung gibt eine Übersicht über die Eigenschaften und speziellen Fragestellungen, die im Zusammenhang mit der Charakterisierung von Dendrimeren untersucht werden, und nennt die jeweils geeigneten Analysetechniken. 1.

Chemische Zusammensetzung x

Elementaranalyse (C, H, N-Analyse)

x

Massenspektrometrie: ESI-MS, FAB-MS, Aufklärung anhand der massenspektrometrischen Fragmentierungsmuster

7.10 Zusammenfassung

2.

3.

299

Molare Masse x

Massenspektrometrie: MALDI-MS (auch hohe Generationen), ESI-MS und FAB-MS (niedrige Generationen); relative Methoden

x

Kleinwinkelstreuung: SANS, SAXS, SALLS (Kleinwinkel-Laserlichtstreuung); absolute Methoden, welche die mittlere molare Masse liefern; für niedrige Generationen besteht ein großer Unsicherheitsfaktor aufgrund schwacher Streusignale

x

Dampfdruck-Osmometrie

x

SEC; relative Methode; häufiges Fehlen geeigneter Größenstandards kann zu Ungenauigkeiten führen

Dimensionen Im Festzustand: x

Rastersondenmikroskopie: AFM, STM (Aren-reiche Dendrimere)

x

Elektronenmikroskopie: TEM; Metall-reiche Dendrimere, dendritisch stabilisierte Nanopartikel; ansonsten Kontrastierung erforderlich

In Lösung:

4.

x

Diffusions-NMR-Spektroskopie

x

SEC

x

Kleinwinkelstreuung: SAXS, SANS (höhere Generationen)

x

Computersimulationen

Strukturdefekte x

Massenspektrometrie: ESI-MS, MALDI-MS; Dendrimere mit niedrigerer Schalenzahl, Dimere, intramolekulare Ringschlüsse, fehlende Endgruppen, fehlende dendritische Äste

x

SEC (meist in Kombination mit MALDI-MS); Dendrimere mit niedrigerer Schalenzahl, Dimere; nicht zur Detektion kleinerer Defekte wie fehlender Endgruppen oder intramolekularer Ringschlüsse geeignet, da sich solche Defekte nur geringfügig auf die Molekülgröße auswirken

x

Kleinwinkelstreuung: SAXS, SANS; nur für höhere DendrimerGenerationen geeignet; besonders SANS ist zeit- und kostenintensiv und benötigt im Vergleich zu den massenspektrometrischen Methoden große Probenmengen

300

7. Charakterisierung und Analytik

5.

6.

Innere Gruppen und Endgruppen x

NMR-Spektroskopie: 1H, 13C; bei Anwesenheit von Heteroatomen z. B. 15 N-, 19F-, 29Si-, 31P-NMR

x

IR-Spektroskopie

x

Titration

Struktur x

NMR-Spektroskopie : 1H-, 13C-NMR (1D-, 2D-, 3D-, 4D-NMR); bei Anwesenheit von Heteroatomen z. B. 15N, 19F, 29Si, 31P

x

Kleinwinkelstreuung: SAXS, SANS (höhere Generationen), räumliche Struktur in Lösung

Literaturverzeichnis und Anmerkungen zu Kapitel 7

301

Literaturverzeichnis und Anmerkungen zu Kapitel 7 „Charakterisierung und Analytik“ Übersichtsartikel sind durch ein vorgestelltes fett gedrucktes „Übersicht(en)“ bzw. „Buch/Bücher“ gekennzeichnet. [1] L. J. Hobson, W. J. Feast, Polymer 1999, 40, 1279-1297. [2] A. D. Meltzer, D. A. Tirell, A. A. Jones, P. T. Inglefield, Macromolecules 1992, 25, 4541. [3] H. M. Brothers, L. T. Piehler, D. A. Tomalia, J. Chromatogr., A 1998, 814, 233-246; b) A. Ebber, M. Vaher, J. Peterson, M. Lopp, J. Chromatogr. A 2002, 949, 351-358. [4] Buch: C. Schalley (Hrsg.), Analytical Methods in Supramolecular Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim 2006 [5] Lehrbücher: a) L. Kraus, A. Koch, S. Hoffstetter-Kuhn, Dünnschichtchromatographie, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg 1996; b) B. Fried, J. Sherma (Hrsg.), Practical Thin-Layer Chromatography - A Multidisciplinary Approach; CRC Press, Boca Raton, New York, London, Tokyo 1996. [6] Lehrbücher: a) S. Lindsay, Einführung in die HPLC, Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg, 1996; b) G. J. Eppert, Flüssigchromatographie, HPLC-Theorie und Praxis, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg 1997; c) V. Meyer, Praxis der Hochleistungs-Flüssigchromatographie, Sauerländer, Frankfurt 1999. [7] P. E. Froehling, H. A. Linssen, Macromol. Chem. Phys. 1998, 199, 1691-1695. [8] M. T. Islam, X. Shi, L. Balogh, J. R. Baker, Jr., Anal. Chem. 2005, 77, 2063-2070. [9] a) B. Ramagnoli, I. van Baal, D. W. Price, L. M. Harwood, W. Hayes, Eur. J. Org. Chem. 2004, 4148-4157. [10] O. Trapp, G.. Trapp, J. Kong, U. Hahn, F. Vögtle, V. Schurig, Chem. Eur. J. 2002, 8, 3629-3634 . [11] C. Reuter, G. Pawlitzki, U. Wörsdörfer, M. Plevoets, A. Mohry, T. Kubota, Y. Okamoto, F. Vögtle, Eur. J. Org. Chem. 2000, 3059-3067. [12] J. Recker, W. M. Müller, U. Müller, T. Kubota, Y. Okamoto, M. Nieger, F. Vögtle, Chem. Eur. J. 2002, 8, 44344442. [13] a) A. M. Striegel, R. D. Plattner, J. L. Willett, Anal. Chem. 1999, 71, 978-986; b) L. Bu, W. K. Ninidez, J. W. Mays, Macromolecules 2000, 33, 4445-4452. [14] M. T. Islam, X. Shi, L. Balogh, J. R. Baker, Jr., Anal. Chem. 2005, 77, 2063-2070. [15] a) D. A. Tomalia, A. M. Naylor, W. A. Goddard, III; Angew. Chem 1990, 102, 119-157; Angew. Chem. Int. Ed. 1990, 29, 138-175; b) C. Xia, X. Fan, J. Locklin, R. C. Advincula, A. Gies, W. Nonigez, J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 8735-8743. [16] A. Sharma, D. K. Mohanty, A. Desai, R. Ali, Electrophoresis 2003, 24, 2733-2739. [17] a) Lehrbücher: H. Günther, NMR-Spektroskopie, Thieme, Stuttgart 1983; E. Breitmaier, in Untersuchungsmethoden in der Chemie, H. Naumer, W. Heller (Hrsg.), Thieme, Stuttgart 1997; H. Friebolin, Ein- und zweidimensionale NMR-Spektroskopie, Wiley-VCH,Weinheim 2006; b) M. Pons (Hrsg.), NMR in Supramolecular Chemistry, Kluwer, Dordrecht 1999. [18] Buch: D. H. Williams, I. Fleming, Strukturaufklärung in der organischen Chemie, Thieme, Stuttgart 1991. [19] a) K. L. Wooley, C. A. Klug, K. Tasaki, J. Schaefer, J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 53-58; b) C. Klug, T. Kowalewski, J. Schaefer, T. Straw, K. Tasaki, K. Wooley, Polym. Mat. Sci. Eng. 1997, 77, 99-100; c) D. I. Malyararenko, R. L. Vold, G. L. Hoatsen, Macromolecules 2000, 33, 1268-1279; d) M. Wind, K. Saalwächter, U.-M. Wiesler,

302

7. Charakterisierung und Analytik

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Literaturverzeichnis und Anmerkungen zu Kapitel 7

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7. Charakterisierung und Analytik

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Literaturverzeichnis und Anmerkungen zu Kapitel 7

305

[68] a) F. Morgenroth, C. Kübel, K. Müllen, J. Mater. Chem. 1997, 7, 1207-1211; b) A. Hierlemann, J. K. Campbell, L. A. Baker, R. M. Crooks, A. J. Ricco, J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 5323-5324; c) H. Zhang, P. C. M. Grim, P. Foubert, T. Vosch, P. Vanoppen, U.-M. Wiesler, A. J. Berresheim, K. Müllen, F. C. De Schryver, Langmuir 2000, 16, 9009-9014. [69] A. C. Grimsdale, K. Müllen, Angew. Chem. 2005, 117, 5732-5772; Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 35, 5592-5629, und darin aufgeführte Zitate. [70] L. Latterini, G. Pourtois, C. Moucheron, R. Lazzaroni, J.-L. Brédas, A. Kirsch-de Mesmaeker, F. C. De Schryver, Chem. Eur. J. 2000, 6, 1331-1336. [71] C. Xia, X. Fan, J. Locklin, R. C. Advincula, A. Gies, W. Nonidez, J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 8735-8743. [72] L. Merz, H.-J. Güntherodt, L. J. Scherer, E. C. Constable, C. E. Housecroft, M. Neuburger, B. A. Hermann, Chem. Eur. J. 2005, 11, 2307-2318. [73] D. J. Díaz, G. D. Storrier, S. Bernhard, K. Takada, H. D. Abruna, Langmuir 1999, 15, 7351-7354. [74] a) S. K. Hurst, M. P. Cifuentes, M. G. Humphrey, Organometallics 2002, 21, 2353-2355; b) A. M. McDonagh, C. E. Powell, J. P. Morrall, M. P. Cifuentes, M. G. Humphrey, Organometallics 2003, 22, 1402-1413. [75] a) R. W. J. Scott, A. K. Datye, R. M. Crooks, J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 3708-3709; b) M. Pittelkow, K. Moth-Poulsen, U. Boas, J. B. Christensen, Langmuir 2003, 19, 7682-7684. [76] a) G. R. Newkome, C. N. Moorefield, G. R. Baker, M. J. Saunders, S. H. Grossman, Angew. Chem. 1991, 103, 1178-1180; Angew. Chem. Int. Ed. 1991, 30, 1178-1180; b) C. L. Jackson, H. D. Chanzy, F. P. Booy, B. J. Drake, D. A. Tomalia, B. J. Bauer, E. J. Amis, Macromolecules 1998, 31, 6259-6265. [77] Lehrbücher: G. Snatzke, N. Berova, K. Nakanishi, R.W. Woody (Hrsg.), Wiley-VCH, New York 2000; K. Nakanishi, N. Berova, R. W. Woody (Hrsg.), Circular Dichroism – Principles and Applications, VCH Publishers, New York, Weinheim 1994; H. R. Christen, F. Vögtle, Circular Dichroismus, in Organische Chemie, Von den Grundlagen zur Forschung, Band II, Salle, Frankfurt am Main 1990, S. 301-334; N. Harada, K. Nakanishi, Circular Dichroic Spectroscopy – Exciton Coupling in Organic Stereochemistry, Oxford University Press 1983; S. F. Mason, Optical Activity and Chiral Discrimination, Reidel, Dordrecht, Nato Advances Study Institutes Series, Series C, Vol. 48, 1978; E. Charney, The Molecular Basis of Optical Activity – Optical Rotatory Dispersion and Circular Dichroism, Wiley, New York 1979; S. F. Mason, Molecular optical activity & the chiral discriminations, Cambridge University Press, London 1982; L. D. Barron, Molecular Light Scattering and Optical Activity, Cambridge University Press, London 1982; P. Crabbé, ORD and CD in Chemistry and Biochemistry, An Introduction, Academic Press, New York 1972. [78] In rechts- bzw. links-circular polarisiertem Licht beschreibt die Spitze des elektrischen Feldvektors eine Helix im bzw. gegen den Uhrzeigersinn. [79] Linear polarisiertes Licht lässt sich als Überlagerung zweier circular polarisierter Lichtstrahlen gleicher Frequenz, Geschwindigkeit und Amplitude (Intensität), aber entgegengesetztem Uhrzeigersinn auffassen. [80] J. Recker, D. J. Tomcik, J. R. Parquette, J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 10298-10307. [81] F. Vögtle, G. Pawlitzki, in H. Takemura (Hrsg.), Cyclophane Chemistry for the 21st Century, Research Signpost 2002, 37, 661(2), 55-90. [82] Begriffe wie makroskopische, nanoskopische und mesoskopische Chiralität sind aus Studien von Mislow (A. B. Buda, T. Auf der Heyde, K. Mislow, Angew. Chem. 1992, 104, 1012-1031; Angew. Chem. Int. Ed. 1992, 31, 9891007) und Avnir (O. Katzenelson, H. Z. Hel-Or, D. Avnir, Chem. Eur. J. 1996, 2, 174-181) hervorgegangen und dienen der Definition der Chiralität von großen supramolekularen und makromolekularen Systemen, wie chiraler Cluster, Aggregate, Polymere oder Dendrimere. [83] C.-O. Turrin, J. Chiffre, J.-C. Daran, D. de Montauzon, A.-M. Caminade, E. Manoury, G. Balavoine, J.-P. Majoral, Tetrahedron 2001, 57, 2521-2536. [84] J. R. McElhanon, D. V. McGrath, Polymer Preprints 1997, 38, 278-279. [85] M. J. Laufersweiler, J. M. Rohde, J.-L. Chaumette, D. Sarazin, J. R. Parquette, J. Org. Chem. 2001, 66, 64406452. [86] B. Buschhaus, F. Hampel, S. Grimme, Chem. Eur. J. 2005, 11, 3530-3540. [87] D. K. Smith, A. Zingg, F. Diederich, Helv. Chim. Acta 1999, 82, 1225-1241.

8. Spezielle Eigenschaften und Anwendungspotenziale

8.1 Einleitung Es ist auch in der Dendrimer-Chemie nicht leicht, zwischen konkreten Anwendungen und vielversprechenden Zukunftsoptionen zu unterscheiden, weshalb hier beide in einem gemeinsamen Kapitel zusammengefasst sind. Dendrimer-Moleküle zeichnen sich durch Zonen verschiedener Dichte aus. Sie vereinen, je nach Starrheit oder konformativer Beweglichkeit ihres Gerüsts, dichte und weniger dichte Areale. Sie können – mehr oder weniger große und flexible – Nischen und Hohlräume ausbilden, um Lösungsmittel aufzunehmen und als (selektive) Wirtverbindungen für Gastsubstanzen zu agieren. Aufgrund der möglichen strukturellen Präzision und daher einheitlicheren Eigenschaften finden Dendrimere verglichen mit dendritischen Polymeren überwiegend Anwendungsinteresse im biomedizinischen Bereich. Auch weil Effekte – wie Lumineszenz – aufgrund von vielfacher Substitution verstärkt werden und hohe lokale Konzentrationen bestimmter Bauelemente und Funktionalitäten erzielt werden. Im Folgenden werden bereits erfolgte und geplante Anwendungen der Dendrimere und dendritischen Polymere und die jeweiligen Eigenschaften, die dafür maßgebend sind, beschrieben. Einige charakteristische allgemeine Eigenschaften, auf denen die Anwendungen fußen, seien hier eingangs kurz pauschal zusammengefasst. Andere Eigenschaften konkreter Dendrimer-Familien sind in den Kapiteln 4 bis 6 erwähnt. Charakteristika und Eigenschaften (strukturperfekter) Dendrimere: x

Nanoarchitektur mit schalenförmigem Aufbau

x

Strukturelle Präzision

x

Monodispersität

x

Definierte Molekülgröße, definierte Anzahl von Endgruppen

x

Niedrige Viskosität in Lösung

x

Hydrophilie/Lipophilie-Balance nach Design

x

Formstabilität/Flexibilität-Balance nach Design

x

Zugängliche Moleküloberfläche (bei nicht zu hoher Generation und kleinen Endgruppen)

x

Vielzahl an Funktionalisierungsmöglichkeiten

x

Übersichtliche Aufnahme von Gastsubstanzen

x

Mehr- bis vielstufiger (iterativer) synthetischer Zugang.

8.2 Katalyse, Membrantechnik

307

Charakteristka/Eigenschaften dendritischer Polymere: x

Einfacher, preiswerter synthetischer Zugang

x

Kompakte hochverzweigte Struktur mit unterschiedlichen Verzweigungsmustern

x

Unregelmäßige globuläre Form, abhängig vom Verzweigungsgrad

x

Polydispersität

x

Strukturdefekte

x

Endgruppen mit hoher chemischer Reaktivität

x

Höhere Löslichkeit als analoge lineare Makromoleküle.

Anwendungen als Additive, in der Katalyse, Sensorik, medizinischen Diagnostik und andere, bei denen der derzeit vergleichsweise hohe Preis der strukturperfekten Dendrimere höherer Generationen keine so große Rolle spielt – da dort wenig Substanz oft große Wirkung verursacht – stehen derzeit im Vordergrund des Interesses. Für diese Bereiche ist allerdings eine manchmal aufwendige Anpassung der Molekülstruktur an die Erfordernisse zwingend, um bestehende Methoden, Verfahren und Eigenschaften zu übertreffen. Andererseits erlauben die unzähligen Variationsmöglichkeiten der dendritischen Strukturen (Gerüsttyp, Verzweigungsart, Generationszahl, Nanodimension, Löslichkeit, Lipophilie-/Hydrophilie-Balance, Rigidität-/Flexibilität-Balance, Konformations-Dynamik, Rückfaltung, Nischen/Hohlraumausbildung, Gastaufnahme/-selektivität, Chiralität, Defekte usw.) und ihre Funktionalisierungsvielfalt eine solche Feinanpassung; Sie erfordert allerdings entsprechende Zeit und experimentellen Aufwand, die für einige Anwendungen noch nicht aufgebracht wurden.

8.2 Katalyse, Membrantechnik Dendrimere Architekturen bieten – verglichen mit Polymeren – aufgrund ihrer Monodispersität, Variabilität, strukturellen Regelmäßigkeit des Molekülgerüsts und einer Vielzahl von Funktionalisierungsmöglichkeiten günstige Voraussetzungen zur Fixierung von katalytisch aktiven Einheiten. Katalytische Einheiten können hierzu – wenn nötig vielfach – an der Peripherie, im Kern eines Dendrimers oder dem fokalen Punkt eines Dendrons fixiert werden. Sind die Dendrimere an der Peripherie geeignet funktionalisiert, können entsprechende Metallkomplexe direkt an der Moleküloberfläche angeheftet werden. Kern- oder auch im fokalen Punkt funktionalisierte Dendrimere schirmen hingegen das katalytisch wirksame Zentrum durch ihren schalenartigen Aufbau in gezielter Weise ab, z. B. um bei unterschiedlichen Reaktantengrößen Substratselektivität zu erzielen.[1] Die entsprechenden Begriffe „exodendrale und endodendrale Fixierung“ von Katalysatoren wurde im Zusammenhang mit der Funktionalisierung von Carbosilan-, Polyether- und Polyester-Dendrimeren eingeführt.[2] Erfolgt die Fixierung exodendral, so sind die katalytischen Einheiten an den Verzweigungsenden befestigt, bei einer endodendralen Fixierung ist meistens der Kern des Dendrimers/Dendrons aktiv (Bild 8-1).

308

8. Spezielle Eigenschaften und Anwendungspotenziale

ML LM LM

FG FG FG

LM FG

ML FG

ML FG

Dendrimer

ML FG FG FG

ML ML

Kern

FG

ML

FG

ML

FG

FG ML FG

FG LM FG FG FG FG ML LM ML ML ML

Dendrimer

Dendron

B

A exodendral

Dendron C

endodendral

Bild 8-1 Fixierungsmöglichkeiten von katalytisch aktiven Einheiten (ML) an einem Dendrimer. A: exodendrale Fixierung an der Peripherie des Dendrimers; B und C: endodendrale Fixierung am Kern des Dendrimers/Dendrons. Das katalytische Zentrum kann z. B. ein an geeignete Funktionelle Gruppen (FG; rot gekennzeichnet) gebundenes Metallzentrum M (grün gekennzeichnet) sein; L symbolisiert zusätzliche Komplexliganden am Metallzentrum

8.2.1 Dendrimere als Träger für Katalysatoren Konkrete Formelbeispiele einiger zu Katalyse-Zwecken hergestellten Dendrimere sind bereits in Kapitel 4 wiedergegeben und seien hier nicht wiederholt, zumal ihre Einsatzfähigkeit lediglich geprüft, eine konkrete Labor- oder industrielle Anwendung aber derzeit nicht gegeben ist. Die von Müllen et al. entwickelten sphärischen Polyphenylen-Dendrimere[3] (s. Kapitel 4.1.5) aggregieren wegen ihrer Starrheit nicht auf Metalloberflächen. Dadurch bleiben mehr Stellen für katalytische Wechselwirkungen frei. Verglichen mit flexiblen Polymeren, die mit demselben Metall beladen sind, ist der Zugang zu dem als Gast eingeschlossenen Metall für die Katalyse günstiger. Daher sollten sich derartige steife (formstabile) PolyphenylenDendrimere für die Herstellung hochaktiver Katalysatoren eignen. Außerdem ermöglicht die hohe thermische Stabilität dieser Kohlenwasserstoff-Dendrimere organische Reaktionen, die mit polymeren Katalysatoren kaum möglich wären. Lüning konnte Dendrimere des Fréchet-Typs in homogener Phase mit konkav angeordneten Pyridin-Einheiten beladen. Bei der basenkatalysierten Addition von Ketenen an Alkohole und Polyole (z. B. Monosaccharide) wurde so eine bemerkenswerte Selektivität erzielt. Die funktionalisierten Dendrimer-Katalysatoren weisen im Vergleich zu den nicht-dendritischen herkömmlichen Katalysatoren eine höhere Molekularmasse auf, was eine Recyclisierung des Katalysators nach Reaktionsende via Nanofiltration ermöglicht. Diese Dendrimere empfehlen sich somit als Reagenzien zur selektiven Acylierung von Polyolen.[4] Die Gruppe van Koten setzte ein chemisch inertes, lipophiles Carbosilan-Dendrimer-Gerüst als Trägermaterial zur Fixierung von bis zu 12 Übergangsmetallkomplex-Fragmenten ein. Die kovalent fixierten Fragmente mit Nickel als Katalyse-Zentrum beschleunigen die Kharasch-Addition von Polyhalogenalkanen an C-C-Doppelbindungen. Die Rückgewinnung der Dendrimere erfolgte durch Ultrafiltration.[5] Untersuchungen zur formselektiven AlkenEpoxidierung mithilfe von Poly(phenylester)-Dendrimeren (mit Mangan[III]-porphyrin-

8.2 Katalyse, Membrantechnik

309

Kern) als Katalysatoren[6,1d] ergaben, dass Dendrimere der zweiten Generation eine deutlich höhere Selektivität gegenüber terminalen Doppelbindungen zeigen als vergleichbare Mangan-komplexierte Tetraphenylporphyrine. Diaminobutyl-Dendrimere (DAB-POPAM) wurden mit endständigen DiphenylphosphanylGruppen funktionalisiert und als Katalysatoren bei der Heck-Kupplung von Brombenzen und Styren zu Stilben verwendet. Aufgrund der besseren thermischen Stabilität ergaben diese dendritischen Palladium-Katalysatoren höhere Ausbeuten als die Reaktionen mit herkömmlichen Palladium-Katalysatoren. Zudem konnte der dendritische Katalysator nach Zugabe von Diethylether durch Ausfällung vollständig zurückgewonnen werden.[7] Generell erwiesen sich die dendritischen Katalysatoren auf Grund ihrer „effektiven Abschirmung“ als wesentlich stabiler gegenüber Oxidationsprozessen als „normale“ Katalysatoren.[1d] Die Oxidation von Thiolen zu Disulfiden mithilfe von molekularem Sauerstoff kann durch Dendrimere mit einem Cobaltphthalocyanin-Kern katalysiert werden.[8, 1d] Vergleiche zeigten, dass der Katalysator der ersten Dendrimer-Generation eine höhere Aktivität aufwies als derjenige der zweiten. Dessen verminderte Katalysator-Aktivität lässt sich durch eine eingeschränkte Diffusion des Substrats in das Dendrimer erklären. Katalysatoren höherer Dendrimer-Generation zeigten hingegen auf Grund der besseren Substrataufnahme höhere Stabilität. Carbosilan-Dendrimere mit bis zu zwölf endständigen Metallocen-Gruppen (Zirconocen-, Hafnocen- und Titanocen-) wurden für die Methylalumoxan-aktivierte Olefin-(co)polymerisation und die Silan-Polymerisation eingesetzt. Für die (Co)Polymerisation von Ethen wurde eine hohe Aktivität (5760 kg Polyethylen pro Mol Metall und Stunde) erzielt.[1a]

8.2.2 Katalytische Dendrimere für Membranreaktoren Mit funktionalisierten Dendrimeren können die Vorteile der homogenen und heterogenen Katalyse genutzt werden. Ihre kugelförmige Architektur ermöglicht eine bessere Rückgewinnung als vergleichbare Katalysatoren auf Polymer-Trägern. Sie lassen sich entschieden leichter aus der Reaktionsmischung abtrennen, da die katalytischen Dendrimer-Moleküle größer als diejenigen des entstandenen Produkts sind. Ein Attribut, das die Dendrimere als „Nanoreaktoren“ attraktiv macht. POPAM-Dendrimere vom 1,3-Diaminopropan-Typ beispielsweise fanden Anwendung in Membranreaktoren, indem sie mit Palladiumphosphin-Komplexen beladen wurden, die als Katalysatoren für die allylische Substitution in einem kontinuierlich laufenden chemischen Membranreaktor genutzt werden. Die gute Rückgewinnung der dendritischen Katalysatorträger ist bei teuren Katalysatorkomponenten von Vorteil.[9] Sie erfolgt auch hier über Ultraoder Nanofiltration (Bild 8-2). Nanofiltrations-Membranen sind im Handel mit einem Rückhaltevermögen von beispielsweise 400 Da erhältlich. Die Einheit Dalton gilt als Maß für die Abscheidefähigkeit einer Membran. Tabelle 8-1 gibt einen Vergleich zwischen der Abscheidefähigkeit und der Porengröße bzw. Art des eingesetzten Filtrationsverfahrens.

310

8. Spezielle Eigenschaften und Anwendungspotenziale

Tabelle 8-1 Vergleich von Filtrationsverfahren

Filtrationsverfahren

Molekularmasse [Da] bzw. [kDa]

Porengröße [ȝm]

Umkehrosmose

<100 Da

<0,001

Nanofiltration

100 - 1000 Da

0,001 - 0,01

Ultrafiltration

1000 - 500 Da

0,01 - 0,1

Mikrofiltration

>500 kDa

>0,1

Filtrationsgut

Reaktionsprodukt und Katalysator

KatalysatorRückführung

Ultrafilter/ Membran

gewünschtes Produkt

Bild 8-2 Filtrationsapparatur für Membranreaktoren (schematisch)

8.2.3 Dendrimere in der enantioselektiven Katalyse Brunner et al. berichteten über im Kern funktionalisierte Dendrimer-Metallkatalysatoren („Dendrizyme“) zum Einsatz in der enantioselektiven Katalyse.[10, 1b, 11] Optisch aktive Dendrimer-Liganden wurden z. B. zur Umsetzung von Styren in einer Cu(I)-katalysierten enantioselektiven Cyclopropanierung mit Diazoessigsäure-ethylester eingesetzt. Als Ausgangssubstanz für die Darstellung dieser Liganden wurde L-Asparaginsäure verwendet. Aber auch (1S,2S)-2-Amino-1-phenyl-1,3-propanol kann als Edukt für die Synthese optisch aktiver Dendrimer-Liganden genutzt werden. Die aus den vorhandenen primären Aminofunktionen entstehenden Aldimin-Chelatliganden zeigten einen leichten Anstieg der Enantioselektivität. Die weitere Vergrößerung der Ligan-

8.3 Pigmente, Klebstoffe, Additive in Chemiewerkstoffen

311

den beispielsweise mit (1R,2S)-Ephedrin oder (1S,2S)-2-(Benzylamino)-1-phenyl-1,3propandiol führten nicht zur Steigerung der Enantiomeren-Überschüsse.[12] Die Addition von Diethylzink an Benzaldehyd zu optisch aktiven sekundären Alkoholen konnte mithilfe von POPAM-Dendrimeren, die in der Peripherie mit chiralen Aminoalkoholen funktionalisiert waren, durchgeführt werden. Die Anzahl der Alkohol-Endgruppen wurde bis 64 erhöht. Während niedrige Generationen befriedigende Enantioselektivität ergaben, sanken diese jedoch mit höherer Generation: Die fünfte Generation zeigte keine Enantioselektivität mehr.[13] Bolm et al. wählten für die Addition von Diethylzink an Benzaldehyd optisch aktive dendritische Katalysatoren, die am fokalen Punkt der Fréchet-Dendrons mit Pyridylalkohol-Einheiten funktionalisiert sind.[14]

8.2.4 Dendrimere als Phasentransfer-Katalysatoren Amphiphile – Moleküle, die sowohl hydrophile als auch hydrophobe Gruppen tragen – können in Wasser zu Micellen aggregieren.[15] In Analogie zu Micellen weisen auch entsprechend „designte“ Dendrimer-Moleküle unterschiedliche Molekülbereiche (Kern/Oberfläche) auf. Mit Carboxylat-Gruppen terminierte Dendrimere wurden beispielsweise als „Micellanole“[16] bezeichnet, da sie einen apolaren Kern besitzen und durch die Carboxylat-Gruppen in der Peripherie in wässrigen Medien löslich sind. Funktionalisierung eines lipophilen Dendrimers mit hydrophilen Endgruppen oder Ketten führt zu Amphiphilen, die eine Aufnahme von lipophilen Gästen an der Phasengrenzfläche ermöglichen und diese dann in ein wässriges Medium transportieren können.[17, 1b] Daraus geht insgesamt hervor, dass es nicht einfach ist, jahrzehntelang optimierte existierende Katalysatoren durch wenig gezielte dendritische Modifikation entscheidend zu verbessern. Wegen der vielen Variationsmöglichkeiten (Dendrimer-Typ, Generation, Hohlraumgröße, Flexibilität, Philie-Balance, s. o.) sind hier langfristig wohl noch wesentlich spezifischere Anpassungen an die speziellen Katalysebedingungen möglich und erforderlich. Für eine erfolgreiche Vorausplanung sind die bisherigen Annäherungen an das Thema noch kaum ausreichend.

8.3 Pigmente, Klebstoffe, Additive in Chemiewerkstoffen Neue Anwendungsgebiete erschließen sich durch Einbringen von Pigmenten in Dendrimere – beispielsweise für Tonermaterialien – und durch Zugabe als Additive in Chemiewerkstoffen.

8.3.1 Dendrimere als Additive Xerox Corp. patentierte eine trockene Tonerverbindung, die Dendrimere als Ladungserhöhende Spezies in Form eines Additivs enthält.[18] Im Gegensatz zu früher eingesetzten flüssigen Tonern können trockene durch kontrollierten Aufbau (von Partikel bis Molekül) in Form und Größe dem jeweiligen Anwendungszweck angepasst werden. Durch den uniformen kugeligen Aufbau können solche Toner effizient und gleichmäßig auf das Papier aufgetragen werden, was für den Farbdruck wichtig ist. Toner mit Dendrimer-Additiven erfordern weniger Material als die flüssigen Vertreter.

312

8. Spezielle Eigenschaften und Anwendungspotenziale

Allgemein müssen Additive hochwirksam, in kleinen Mengen dosier- und gut mischbar mit den anderen Komponenten sein. Resultierend aus der molekularen Größe ist ein „Ausbluten“ oder Ausdiffundieren der dendritischen Komponenten im Gegensatz zu niedermolekularen Substanzen erschwert.[19]

8.3.2 Dendritische Polymere für Druckerfarben Dendritische Polymere ermöglichen im Einsatz als Additive für Druckerfarben eine gleichmäßige Haftung der Druckerfarbe auf polaren und unpolaren Folien. Die hyperverzweigten Verbindungen heften sich zunächst an die Pigmentpartikel. Bedingt durch die hohe Anzahl von funktionellen Gruppen an der Dendrimer-Moleküloberfläche sind zudem noch hinreichend viele weitere Ankergruppen vorhanden, um zusätzlich eine gute Haftung an die Folienoberfläche zu bewirken.

8.3.3 Dendritische Polymere für Lacke Anwendungen für dendritische Polymere ergeben sich auch bei der Möbel- und Automobilherstellung in Form von Polyurethan-Lacken. Diese zeichnen sich durch Oberflächenhärte, Kratzfestigkeit, Chemikalienresistenz, Licht- und Witterungsbeständigkeit sowie hohen Glanz aus. Eine Kategorie der Polyurethan-Lacke zeigt neben besonderer Härte und Chemikalienresistenz weniger Flexibilität. Eine zweite Gruppe ließ sich flexibler einstellen, ist dafür aber weich und weniger chemikalienbeständig. Eine Synergie beider Lacktypen zu einem Prototypen mit optimalen Eigenschaften könnte der Einsatz hyperverzweigter Polyisocyanante als Vernetzungskomponente mit entsprechenden Bindemitteln ergeben.[20]

8.3.4 Dendritische Polymere als Additive in der Schaumstoff-Formulierung Die Zugabe von hochverzweigten Polyestern hat Auswirkungen auf die Viskosität und Oberflächenspannung bei Schaumstoff-Formulierungen, was auf die Modifikation der Verzweigungsdichte und der funktionellen Endgruppen zurückgeht. In einigen Fällen wurde nach Optimierung der Struktur auch ein besseres Fließverhalten und eine raschere Aushärtung der Schaumstoff-Formulierung erreicht. Hochverzweigte (dendritische) Polymere finden auch Anwendung als Rheologie-Modifizierer, die das Verformungs- und Fließverhalten beeinflussen. Dies ist auch für die Medizin von Interesse, um Änderungen der Fließeigenschaften von Blut im Gefäßsystem zu untersuchen.[21]

8.3.5 Netzwerk-Vorstufen für Kunststoffe Die niedrige Viskosität und hohe Molekulardichte begünstigt den Einsatz von Dendrimeren in der Dentalchemie. Auf diesem Sektor werden Materialien benötigt, die durch Photopolymerisation von Kunststoff-Zahnfüllungen bei Raumtemperatur vernetzte Polymerstrukturen mit möglichst geringem Volumenschwund bilden, um eine Spaltenbildung zwischen Füllung und Zahn zu vermeiden. Während der Photopolymerisation verringert sich bei jedem Verknüpfungsschritt der van-der-Waals-Abstand auf die Länge einer Kovalenzbindung und verursacht so normalerweise einen Volumenschwund. Lineare Präpolymere sind für diese Art von Verwendung zudem meist zu viskos. Dendrimere könnten in Form von „Netzwerk-

8.3 Pigmente, Klebstoffe, Additive in Chemiewerkstoffen

313

Precursoren“ eingesetzt werden, wenn die Peripherie mit entsprechenden Gruppen funktionalisiert wird.[17]

8.3.6 Dendrimere als Nanokapseln für Farbstoffe und für Molekulares Prägen Zur „molekularen Verkapselung“ von Gastmolekülen synthetisierten Reinhoudt et al. ein wasserunlösliches POPAM-Dendrimer der fünften Generation, das insgesamt 62 tertiäre Aminogruppen enthält und dessen Peripherie mit 64 apolaren Adamantyl-Gruppen „funktionalisiert“ ist (siehe Kapitel 4.1). Damit dieses Dendrimer (Bild 8-3, a) in Wasser löslich wird und anionische Gastmoleküle durch elektrostatische Wechselwirkungen anzuziehen und einzukapseln vermag, wurden die tertiären Amin-Stickstoffatome durch Zugabe von Säure (pH 2) protoniert. Schließlich wurden die hydrophoben Adamantyl-Gruppen durch ßCyclodextrin supramolekular komplexiert und so eine stabile wässrige Dendrimer-Lösung erhalten. Fixierung des POPAM-Dendrimers auf eine ß-Cyclodextrin(Gast)-Schicht (molekulare Druckplatte, molecular printboard) auf einer Glasoberfläche (b) wurde durch „supramolekulares Mikrokontakt-Drucken“ erzielt.[22] a)

pH2

nicht wasserlöslich

wasserlöslich

b)

E-Cyclodextrin; mit molekularer Druckplatte

= Adamantyl = E-Cyclodextrin = Oberflächen-fixiertes Cyclodextrin

Bild 8-3

a) Überführung eines Adamantyl-terminierten POPAM-Dendrimers der fünften Generation in ein wasserlösliches Dendrimer durch Aufstülpen von ß-Cyclodextrin (im Überschuss) auf die Adamantyl-Endgruppen (schematisch: aus Gründen der Übersichtlichkeit sind weder alle 64 Adamantyl-Reste noch alle Verzweigungen des Dendrimers gezeigt; b) Fixierung des Dendrimers auf einer „molekularen Druckplatte“ durch „supramolekularen Austausch“ eines Teils von dessen peripherem ß-Cyclodextrin (rot) durch das auf der Oberfläche befindliche ß-Cyclodextrin (schwarz)

Als Gastmoleküle zur Verkapselung eignen sich anionische Farbstoffe wie z. B. Bengal Rose und Fluorescein, da beide wegen ihrer sauren Gruppen wasserlöslich sind und elektrostatische Wechselwirkungen mit dem – dann protonierten – Innenraum des fixierten Dendrimers

314

8. Spezielle Eigenschaften und Anwendungspotenziale

ausüben (Bild 8-4). Die fluoreszierenden Eigenschaften ermöglichen die Visualisierung des Oberflächen-fixierten Farbstoffmolekül-Einschlusses. Das Dendrimer fungiert so als „molekulare Schachtel“ (dendritic box).[23]

Farbstoff (z. B. Rose Bengal)

= Adamantyl = E-Cyclodextrin = Oberflächen-fixiertes Cyclodextrin

Bild 8-4

Einkapselung anionischer Farbstoffmoleküle (grün) durch das supramolekular an die Oberfläche der molekularen Druckplatte gebundene Dendrimer (schematisch: von 64 terminalen Adamantylgruppen sind nur 23 gezeigt und die Verästelungen sind symbolisiert)

Die oben beschriebenen Cyclodextrin-gebundenen und Oberflächen-fixierten Dendrimere konnten entsprechend durch „gekreuztes Mikro-Kontaktdrucken“ mit Farbstoffmolekülen „gefüllt werden“. Die in der Lösung verbliebenen gelösten Dendrimer-Moleküle konnten mit einem anderen Farbstoff aus der Lösung befüllt und dann analog fixiert werden. Auf diese Weise wurde ein alternierend bedrucktes Oberflächenmuster erhalten. Die Einkapselung der Farbstoffmoleküle in die Oberflächen-fixierten Dendrimere ist umkehrbar. Die molekulare Schachtel lässt sich also füllen, aber auch wieder entleeren und mit einem anderen Farbstoff neu befüllen. Reinhoudt et al. konnten damit eine Dendrimer-Anordnung (array) aufbauen, welche bei pH 2 eine Beladung des Dendrimers mit Farbstoffen ermöglicht und bei pH 9 den eingeschlossenen Farbstoff wieder freisetzt: Mithilfe einer Phosphat-Pufferlösung werden bei pH 9 die tertiären Aminogruppen der Dendrimer-Moleküle wieder deprotoniert. Erneute Zugabe einer sauren Pufferlösung protoniert die Amino-Gruppen wieder, sodass ein anderer Farbstoff in das Dendrimer eingeschlossen werden kann. Alternierend kann so zwischen einem befüllten und nicht befüllten Zustand pH-kontrolliert geschaltet werden. Dieses System könnte sich in Zukunft auch für die kontrollierte Freisetzung von Wirk- anstelle von Farbstoffen eignen. Der irreversible Einschluss einzelner isolierter Moleküle kann deren genauere Untersuchung, zum Beispiel von Radikalen, ermöglichen.[24] Dieses Prinzip der molekularen Verkapselung hatten Cram und Warmuth[25] zur Untersuchung von molekular verkapseltem Cyclobutadien, Arinen und weiteren – in freier Form wenig stabilen – Gastmolekülen in makro-

8.4 Dendrimere für Displays und (Opto-)Elektronik

315

oligocyclischen Carceranden genutzt.[26] Ähnliche Anwendungen, die auf einem Einschluss von Molekülen in Dendrimeren[27] basieren, sind in Abschnitt 8.7.1 zu finden.

8.4 Dendrimere für Displays und (Opto-)Elektronik Cambridge Display Technology berichtete über die Entwicklung organischer Displays auf Dendrimer-Basis.[28] Auf eine transparente dendritische Anode (Indium-Zinnoxid) folgen mehrere Schichten aus Licht-emittierenden und Elektronen-transportierenden Materialien (Bild 8-5). Diese werden auf der Gegenseite von einer Metall-Kathode abgeschlossen. Fließt Strom zwischen den Elektroden, so wird das in der Licht-emittierenden Schicht befindliche Dendrimer-Material angeregt und sendet seinerseits entsprechendes Licht aus. Der Vorteil der Dendrimer-Displays besteht im vielseitigen Design: So erlaubt die dendritische Struktur eine unabhängige Modifikation des für die Lichtemission wichtigen DendrimerKerns, der für den Ladungstransport wichtigen Verzweigungseinheiten und der für die Weiterleitungs-Prozesse zuständigen Endgruppen. Im Hinblick auf die Effizienz bieten die Dendrimere einen Weg, um kleine phosphoreszente Moleküle in Verbindungen umzuwandeln, die auch in Lösung verarbeitbar sind. Da die Endgruppen unabhängig von dem Lichtemittierenden Dendrimer-Kern abgestimmt werden können, ist es möglich, Dendrimere an diverse Prozess-Systeme anzupassen, ohne die Qualität der Lichtemission zu beeinträchtigen. Im Vergleich zu Polymer-Displays ergaben die dendritisch modifizierten polymeren Lichtemittierenden Dioden (PLED) in Displays eine deutlich höhere Helligkeit. Lochleiter Glasplatte (Substrat)

LED-Schicht Kathode

Spannung (V) Lichtemission

Anode

Bild 8-5 Aufbau eines PLED-Displays. Das Dendrimer befindet sich in der grün markierten Schicht

Moleküle mit stilbenoiden Chromophoren finden vermehrt Anwendung in Lichtemittierenden Dioden (LED), in der nicht-linearen Optik (NLO) und in der optischen Speicherungstechnologie. Dendrimere mit stilbenoiden Chromophoren[29] könnten hier weiterführen, da in einem Dendrimer mehr chromophore Gruppen auf engem Raum – intramolekular – zusammengebracht werden können.

316

8. Spezielle Eigenschaften und Anwendungspotenziale

Neue Materialien für die Lichtemission im blauen Spektralbereich, basierend auf Polyphenylen-Dendrimeren niederer Generation, wurden für die Anwendung als organische Lichtemittierende Dioden (OLED)[30] geprüft. Es zeigte sich, dass das Verhältnis von pPhenylengruppen (mit hohen Fluoreszenz-Parametern) zu den 1,3,5-TriphenylbenzenGruppen (mit niedrigen Fluoreszenz-Parametern) die Ursache für die unterschiedlichen relativen Quantenausbeuten der Photolumineszenz sein könnte.[31] Mithilfe von Dendrimeren gelang eine Farbabstimmung von OLED. Während die ersten dendritischen OLED nur grünes Licht emittierten, wird inzwischen der Einfluss der chemischen Struktur auf die Farbe des emittierten Lichts für Dioden ausgenutzt, die Licht anderer Wellenlängen emittieren. Durch Mischen zweier Dendrimere mit unterschiedlichem Kern, aber gleicher Oberflächenstruktur, die jeweils unterschiedliches Licht emittieren, ließ sich ein Farbwechsel von ultraviolett/violett nach blau-grün erzielen. Die Lichtwellenlänge kann so ohne Beeinflussung der Emissionseffizienz und Betriebsspannung verändert werden. Ein weiterer Vorteil der Dendrimere besteht in der Feinabstimmung von elektronischen und WeiterverarbeitungsEigenschaften, die das Problem der Phasentrennung bei Polymer-Mischungen umgeht.[32]

8.4.1 Flüssigkristalline Dendrimere Wie der Name schon vorgibt, paaren flüssigkristalline Materialien in besonderer Weise die Merkmale eines Kristalls mit denen einer Flüssigkeit und sind deshalb für die Display- und Speichertechnologie von Interesse. Flüssigkristalline Verbindungen bestehen meist aus staboder scheibenförmigen organischen Molekülen, die sich vorzugsweise parallel zueinander anordnen.[33] Eine Veränderung der Molekülanordnung durch Anlegen elektrischer Spannung führt zu einem Wandel der optischen Eigenschaften und kann für Display-Anwendungen genutzt werden. Eine Herausforderung für neue Entwicklungen besteht darin, Materialien aus definierten Molekülen herzustellen, die sowohl die Schalteigenschaften niedermolekularer Flüssigkristalle als auch mechanische Eigenschaften von Kunststoffen/Chemiewerkstoffen vereinen. Durch ein Dendrimer-Gerüst können solche Elemente eines Flüssigkristalls zu einer größeren Moleküleinheit verbunden werden (Bild 8-6). Je nach Verknüpfungsart können neue flüssigkristalline Phasen entstehen. Ebenso ist denkbar, dass die Anknüpfung an ein Dendrimer bei tiefen Temperaturen die Bildung eines geordneten Kristalls verhindert und so beim Abkühlen ein glasartiger Zustand erreicht wird. Glasartige Flüssigkristalle können als optische Speichermaterialien von Nutzen sein.[34]

8.5 Biomimetik, Sensorik, Diagnostik (Fluoreszenz)

317 CN CN

NC NC

CN CN

NC O O

NC

O

O

O

O

O O

O

Si

O

O

NC

O O

O O

O

O

O

Si

O

CN CN

O

O O OO

O O

Si

O

O

O

O

O

Si

Si

Si

Si

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NC

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CN

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O

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O O O

Si

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O

CN

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O

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O

Si

O O O O O Si

O

NC

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NC

NC

O

O

NC

O O

O

Si O O

O NC

O

CN

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O

Si

O O O O O

O NC

O

O

Si

O O

CN

OO O O

CN

O CN

O NC

O O

O

O

CN

NC CN

NC NC

CN CN

Bild 8-6 Flüssigkristallines Dendrimer (die mittleren Bindungen sind der Übersichtlichkeit halber in die Länge gezogen)

8.5 Biomimetik, Sensorik, Diagnostik (Fluoreszenz) 8.5.1 Protein-Dendrimere Dendritische Architekturen können genutzt werden, um Proteinfaltungen nachzuahmen, da die Aminosäuren auf engem Raum „zusammengepfercht“ sind. Die Synthese erlaubt es, neben den natürlichen auch unnatürliche (abiotische) Aminosäuren in solch ein „künstliches Protein“ (Peptid-Dendrimer) einzubauen, was zu Materialien führt, die für die Medizin attraktiv sein können. Sind Art und Reihenfolge der Aminosäuren abgestimmt, können PeptidDendrimere[35] auch enzymähnliche Aktivitäten aufweisen (Dendrizyme s. Abschnitt 8.2.3).[11a] Weitere Forschungen auf diesem Sektor könnten auch zu künstlichen (synthetischen) Enzymen (Synzyme) führen.[11b] Keilförmige dendritische Peptidstücke wurden durch Festphasen-Synthese ausgehend von Lysin-Einheiten synthetisiert. Die so gewonnenen Multiplen Antigen-Proteine (MAP) enthielten zwischen zwei und acht Peptidketten und zeigten eine deutlich bessere Immunogenität als einzelne Proteine.[36]

318

8. Spezielle Eigenschaften und Anwendungspotenziale

Diederich et al. stellten ein Mimetikum des Elektronentransfer-Proteins Cytochrom C her. Durch divergente Synthese wurde ein wasserlösliches Eisen-Porphyrin erhalten, das einer Proteinhülle ähnlich, um den elektroaktiven Häm-Kern des Cytochroms eine kovalent angeknüpfte dendritische Hülle besitzt (Bild 8-7). Im Gegensatz zu den dendritischen Porphyrinen von Aida et al. bestehen diese aus flexiblen dendritischen Poly(etheramid)-Einheiten.[37] Untersuchungen der ersten und zweiten Generation dieses Dendrimers ergaben, dass bei ausreichender dendritischer Abschirmung das Reduktionspotential zu positiveren Werten verschoben wird. Eine erhöhte Abschirmung des Metall-komplexierten Porphyrins verringert den Kontakt zur wässrigen Lösung und schwächt oder verhindert so eine Wechselwirkung zwischen Porphyrin und Lösungsmittel. Je umfassender die dendritische Hülle ist, desto geringer wird die Geschwindigkeit des Elektronentransfers. Ähnliche Eigenschaften zeigt auch das Cytochrom C selbst.[38]

M

M = Zn, Fe

Bild 8-7 Dendritischer Porphyrin-Metallkomplex (nach Diederich et al.)

8.5 Biomimetik, Sensorik, Diagnostik (Fluoreszenz)

319

8.5.2 Glycomimetika Glycomimetika sind synthetisch hergestellte Kohlenhydrat-Analoga, deren Struktur nach dem Vorbild von Biomolekülen simplifiziert und modifiziert wird. Anwendung finden entsprechende Wirkstoffe als Therapeutika bei chronisch entzündlichen Erkrankungen wie Rheumatismus, Dermatitis und Psoriasis (Schuppenflechte). Für einen definierten Aufbau von „Glycoclustern“ wurden Oligolysin-Dendrimere mit endständigen Kohlenhydrat-Strukturen durch Festphasen-Synthese funktionalisiert. Die Synthese erfolgte via Kupplung von Lysin-Molekülen. An der Peripherie sind acht Aminogruppen über ein Spacer-funktionalisiertes Sialinsäure-Derivat peptidisch fixiert (Bild 8-8). HO

OH CO2H

AcHN O

HO

HO

S

CO2H

HO O

AcHN

O

AcHN

O

H N

S

HN

O NH

O O

H N

N H

O

HO HO

N H

O

HO HO CO2H

OH HO

S

O H N

O

H N

O

NH

OH

O

NH O NH

O

NH

N H

O

HO HO

HO

AcHN

O

H N

OH

OH

S

H N

O N H

O HO2C

HO

O

NH

NH

O

O

O

HN O

NH

HO2C

OH HO

S

O

O OH

AcHN

NH

O HN

HN

OH

HO

NH O

HN

O

HO AcHN

O

O NH

S

CO2H

NH

NH

OH

HO2C

AcHN

O

O

OH HO

O

O

S

N H

O

HN HO2C

O

H N

O S

HO2C O

OH

HO AcHN

OH

OH HO

Bild 8-8 Beispiel eines Glycodendrimers

Um eine Infektion mit beispielsweise Grippevirus-Erregern zu vermeiden, muss wenigstens eine von zwei auf deren Oberfläche befindlichen Substanzen blockiert werden: Die eine ist eine Neuraminidase, ein Sialinsäure-abspaltendes Enzym, die andere ein Hemagglutinin, ein Sialinsäure-spezifisches Lektin, mit dessen Hilfe Influenza-Viren an Oligosaccharide, die

320

8. Spezielle Eigenschaften und Anwendungspotenziale

Sialinsäure auf der Oberfläche von Wirtzellen exponieren, andocken kann. Beide Verbindungen sind Voraussetzung für den Infektionsprozess. Während Glycodendrimere das Influenza-Hemagglutinin im mikromolaren Bereich binden, blockiert ein entsprechender nicht dendritischer Wirkstoff hingegen das Sialinsäureabspaltende Enzym lediglich in millimol-Konzentrationen.[39] Auch zum Aufbau von nicht-kovalenten Nanopartikeln in Wasser via Selbstorganisation (self assembly) wurden Glycodendrimere, die sowohl eine selbstorganisierende Gruppe als auch eine selektiv an den Rezeptor andockende Gruppe (in der Biochemie oft als Ligand bezeichnet) tragen, eingesetzt. Die günstigste Nanopartikel-Größe kann dabei durch Selbstorganisation von Dendrimeren der zweiten und dritten Generation erzielt werden. Bei höheren Generationen ist die Selbstorganisation nicht mehr effizient. Entsprechende Partikel können durch Verdampfen des Lösungsmittels auf eine Oberfläche gebracht werden. In Lösung fungieren sie als nicht-kovalente, polyvalente in vitro- und in vivo-Rezeptor-Inhibitoren. Bei der Selbstorganisation derartiger Dendrimere handelt es sich um einen dynamischen Gleichgewichtsprozess (Bild 8-9). Es ist denkbar, dass die nicht-kovalenten polyvalenten Liganden hinsichtlich ihrer Größe und Form in Gegenwart von natürlichen multivalenten Rezeptoren optimiert werden können, als eine Art Templat für den eigenen multivalenten Inhibitor, und sich so eine Bandbreite von physiologisch relevanten polyvalenten Wechselwirkungen eröffnet.[40] Substratmoleküle mit zum Rezeptor komplementären konvexen Andockstellen

Selbstorganisationsprozess

multivalenter Rezeptor mit konkaven Andockstellen

Rezeptor/Substrat-Komplex

Bild 8-9 Selbstorganisation von Glycodendrimeren (grün gekennzeichnet) zu nicht-kovalenten Nanopartikeln

8.5.3 Dendrimere in der Sensorik 8.5.3.1 Schwingquarzwaagen mit dendritischen Sensorschichten Das Sensorprinzip der Schwingquarzwaage (QMB = Quartz Micro Balance)[41] basiert auf der mikrogravimetrischen Bestimmung der spezifischen Einlagerung einer Gastverbindung (Ion, Molekül) als Analyt in einer sensitiven Schicht aus geeigneten Wirtmolekülen (Selektoren; Bild 8-10). Wirtsubstanzen wie z. B. Dendrimere können mit der Elektrospray-Methode als homogene Schicht auf die goldbedampfte Quarzscheibe der Schwingquarzwaage aufge-

8.5 Biomimetik, Sensorik, Diagnostik (Fluoreszenz)

321

bracht werden. Durch Anlegen einer Wechselspannung geeigneter Frequenz werden die beschichteten Schwingquarze in der Messkammer in Resonanzschwingung versetzt und verschiedenen gas- oder dampfförmigen (Analyt-)Substanzen ausgesetzt. Diese zu analysierende Substanz gelangt über einen temperierten Stickstoffstrom, der eine definierte Konzentration an Substanz trägt, in die Messkammer. Jeder so genannten Beaufschlagphase folgt eine Spülphase mit reinem Stickstoff, in der der Analyt wieder desorbieren kann. Die Frequenz der beschichteten Quarze wird dabei stets in Abhängigkeit von der Zeit gemessen. Wird die zu analysierende Substanz an einer der Selektorschichten absorbiert, so korreliert dies mit einer Verringerung der Resonanzfrequenz des Schwingquarzes, dessen Betrag umkehrt proportional zur aufgebrachten Analyt-Masse ist. Die Frequenzänderung wird in ein elektronisches Signal transformiert und analysiert. Ist die Sensorschicht für eine bestimmte chemische Verbindung aus einem Gemisch von Gastverbindungen hinreichend sensitiv und selektiv, so lassen sich Konzentrationen einzelner Gäste aus Gemischen quantitativ ermitteln. Substrat (Analyt, Gastverbindungen)

Selektive Sensorsubstanz:

Sensorschicht Quarz

Frequenzänderung

Bild 8-10 Funktionsweise der Schwingquarzwaage (links; schematisch). Rechts: Ein Dendrimer als Gast-selektive Wirtverbindung (Selektor) zur Beschichtung des Schwingquarz-Plättchens. Rot: Selektorschicht; grün: verschiedene Analytkomponenten

Ein Anwendungsbereich ist die Analytik von Aromastoffen in Lebensmitteln, um beispielsweise den Reifegrad von Obst oder Käsesorten zu prüfen.[42] Hierfür wurden Dendrimere eingesetzt, die bestimmte Carbonylverbindungen wie Ketone, Aldehyde, Ester und Amide auch in Gemischen unterscheiden können. Speziell zur Feststellung des Reifegrades von

322

8. Spezielle Eigenschaften und Anwendungspotenziale

Äpfeln ist beispielsweise die Messung der Konzentration von 2-Heptanal wichtig, die während der Reifung signifikant ansteigt.[43] Dieses Verfahren kann auch zur Qualitätskontrolle in Form einer „elektronischen Nase“ für hochwertige Produkte wie z. B. Safran dienen, der in pulverisierter Form manchmal unerwünschte Beimischungen (Streckmittel) wie Kurkuma, Färberdistel oder Ringelblumen enthalten kann. Wie oben beschrieben, eignen sich Polyphenylen-Dendrimere wegen ihrer vergleichsweise starren Architektur als Sensoren zur Detektion flüchtiger Analyte. Denn die Selektivität der Messungen im Hinblick auf einen bestimmten Analyten hängt stark von der Beschaffenheit der sensorisch aktiven (Selektor-)Oberfläche der Schwingquarzwaage ab. Unsubstituierte Polyphenylen-Dendrimere der zweiten Generation wurden auf verschiedene gasförmige Analyte wie Benzaldehyd, Nitrobenzen, Acetophenon und Fluorbenzen etc. geprüft und zeigten hohe Selektivität. Chlorierte und unsubstituierte aliphatische Kohlenwasserstoffe, Carbonylverbindungen und Alkohole, Amine dagegen werden nicht detektiert. Diese Selektivität der Polyphenylen-Dendrimere als Selektoren wird auf deren aromatisches Gerüst zurückgeführt, da dieses ʌ-Elektronen-Donor/Acceptor-Wechselwirkungen mit Gastmolekülen eingehen kann. Auch Polyphenylen-Dendrimere der Generationen zwei bis vier wurden als Schichtmaterial eingesetzt und deren Substrat-Selektivität untersucht. Dabei wurde deutlich, dass die Zahl der eingelagerten Gastmoleküle von Form und Größe des Dendrimers abhängt und sich in bestimmten Fällen annähernd vorhersagen lässt. Die Nachweisempfindlichkeit mit Polyphenylen-Dendrimere ist hoch und liegt beispielsweise für Acetophenon und Anilin bei 5 ppm. Diese Dendrimere zeichnen sich auch durch Langzeitstabilität aus, was für die Reproduzierbarkeit der Messungen günstig ist.[44] Poly(phenylester)-Dendrimere mit sechs endständigen Platinchelat-Komplexeinheiten wurden als hochselektive Sensoren für Schwefeldioxid eingesetzt. Schwefeldioxid wird für die Entstehung von Smog und saurem Regen mitverantwortlich gemacht. In Gegenwart von Wasserstoffperoxid oder Sonnenlicht und Ozon wird SO2 zu SO3 oxidiert, letzteres reagiert spontan mit Wasser zu Schwefelsäure. Aus diesem Grund ist eine Detektion der Schwefeldioxid-Konzentration in minimalen Konzentrationen mit geeigneten Sensoren notwendig. Die an der Molekülperipherie der Dendrimere angebrachten Arylplatin(II)-Komplexe absorbieren Schwefeldioxid unter Bildung eines fünffach-koordinierten Platin-Addukts. Im Falle des im Bild 8-11 gezeigten Metallo-Dendrimers ändert sich, nachdem das Dendrimere einer SO2Atmosphäre ausgesetzt wurde, sofort die Farbe: Der anfänglich farblose Komplex wird nach Addition von SO2 orange. Spektroskopische Analysen bestätigen die hexamere Struktur des Metallo-Dendrimers: die Schwefeldioxid-Moleküle sind in den endständigen PlatinChelatkomplexen jeweils als fünfter Ligand am Platin gebunden.[45]

8.5 Biomimetik, Sensorik, Diagnostik (Fluoreszenz)

323 Br

Me2 Me2N N Br

Pt

NMe2 Me 2 N

Pt

Me2N

O

O

Br

Pt

NMe 2

O O

Me2N Pt

O

O

Br

Pt

N Me2 Me 2N

NMe 2

Br Pt

NMe2

N Me2

Br

Bild 8-11 Dendrimer mit sechs endständigen Platin-Chelatkomplex-Einheiten für die SO2-Detektion mit der Schwingquarzwaage (nach Albrecht, Schlupp, Bargon, van Koten et al.)

Dendritische Polymere finden Anwendung für dünne Funktionsschichten. Hochverzweigte aromatische Polyester mit polaren Endgruppen zeigen beispielsweise ein gutes Ansprechverhalten in Gasphasen- und Flüssigkeitssensoren.[46] Ein positiver Aspekt beim Einsatz solcher Sensor-Dendrimere ist die vereinfachte Recyclisierung (z. B. bei der Nanofiltration) der teuren Platin-Komplexe.[47]

8.5.3.2 Lumineszente Dendrimere als Sensormaterialien Auf die Lumineszenz wurde bereits allgemein im Kapitel 5 eingegangen. Lumineszente POPAM-Dendrimere verschiedener Generationen mit peripheren Dansyl-Einheiten wurden von Balzani und Vögtle et al. als Sensor-Modellsysteme hinsichtlich der prinzipiellen Eignung dendritischer Strukturen für eine Vervielfältigung von signalgebenden Gruppen (MultiLabeling) untersucht.[48] Porphyrin-Dendrimere eignen sich als Sensoren für kleine molekulare und ionische Analyte. Unsubstituierte metallfreie Porphyrine sind oft wenig wasserlöslich; gelingt es jedoch, sie in hydrophile Dendrimere einzuhüllen, so können sie in Wasser als fluoreszente pH-Indikatoren benutzt werden, da sie aufgrund der Protonierung der Stickstoffatome deutliche Veränderungen der Absorptions- und Emissionsbande zeigen. Photophysikalische Untersuchungen an einem Poly(esteramid)-Dendrimer der ersten Generation mit einem TetrabenzoporphyrinKern und 36 Carboxylat-Endgruppen vom Newkome-Typ sowie einem PolyglutaminsäurePorphyrin-Dendrimer[49] ergaben, dass in beiden Dendrimeren der pKs-Wert des Porphyrinkerns in den physiologischen Bereich verschoben wurde. Für weitere Studien im Hinblick auf eine „biologische Protonen-Pumpe“ wurde das Polyglutaminsäure-Dendrimer künstlich in ein Phospholipid-Liposom eingebracht, welches in einer dendritischen TetrabenzoporphyrinDendrimer-Lösung suspendiert wurde. Eine Änderung des pH-Werts der Lösung bewirkte im Polyglutaminsäure-Dendrimer keine Fluoreszenz-Antwort, während das außerhalb befindliche Tetrabenzoporphyrin-Dendrimer sofort Fluoreszenz zeigte. Werden jedoch künstlich

324

8. Spezielle Eigenschaften und Anwendungspotenziale

Protonen-Kanäle in die Liposom-Wand eingebaut, so zeigen beide übereinstimmende Reaktionen auf den pH-Wert. Bedingt durch die carboxylischen Gruppen und die Molekülgröße können die Porphyrin-Dendrimere die Phospholipid-Membran nicht durchdringen (vgl. Bild 8-12).[50]

Bild 8-12 Protonen-Pumpe (schematisch)

Das Konzept der Bifunktionalisierung führte zu einem PAMAM-Dendrimer der zweiten Generation, dessen endständige Aminogruppen zum einen mit acht Anthracen-Einheiten, zum anderen mit acht Boronsäure-Einheiten bestückt wurden (Bild 8-13). Dieses Dendrimer konnte als Saccharid-Sensor eingesetzt werden. Die Boronsäure komplexiert das Saccharid, die Anthracen-Gruppen hingegen wirken als signalgebende Einheiten. Als Saccharid-Analyte konnten beispielsweise D-Glucose, D-Fructose und D-Galactose in Form eines intramolekularen 2:1-Boronsäure-Saccharid-Komplexes gebunden werden. Letzteres bewirkt einen Photoinduzierten Elektronentransfer (PET), der in einer Verstärkung der Fluoreszenz-Intensität der Anthracen-Einheiten resultiert, je nach Art und Anzahl der gebundenen SaccharidGastmoleküle.[51]

8.5 Biomimetik, Sensorik, Diagnostik (Fluoreszenz)

325

B(OH)2 N B(OH)2 H N

N

N

G2

NH

O

O

G1

N

O

O N

NH

NH N

N

(HO)2B

N O

HN

H N

O N

HN O

O

N HN

N

N H

O

O B(OH)2

B(OH)2

NH

B(OH)2

O

HN

N

N H

O

(HO)2B

N N (HO)2 B

OH O HO HO

OH

OH

O

O

OH

B OH

OH O

OH

B

HO

-

B

2H2O

O

N

N

G2

N

schwach fluoreszierend

O

B

N

G2

stark fluoreszierend

Bild 8-13 Dendritischer Zucker-Sensor auf Basis Boronsäure/Glycol-Wechselwirkung (G2 = 2. Generation; nach Shinkai et al.). In den eingerahmten Formeln sind der Anschaulichkeit halber lediglich zwei der acht Endgruppen gezeigt

8.5.3.3 Fluoreszierende PET- Sensoren Das Prinzip fluoreszierender Chemosensoren besteht darin, dass zwei Komponenten, ein Ionophor (Gast-selektive Rezeptor-Verbindung; Selektor) mit einem benachbarten Fluorophor wechselwirkt. Diese beiden Komponenten sind kovalent zu einer FluoroionophorEinheit verbunden. In dem im folgenden Bild 8-14 skizzierten Beispiel fungiert der Kationen-Rezeptor als Elektronendonor, der Fluorophor entsprechend als Elektronenacceptor. Wird der Fluorophor photochemisch angeregt, kommt es zu einem (photoinduzierten) Elektronentransfer (PET) vom HOMO zum LUMO. Dieser Prozess erlaubt also einen photoinduzierten Elektronentransfer vom HOMO des Ionophors zum HOMO des Fluorophors einhergehend mit einer Fluoreszenz-Löschung. Die Koordination eines Metall-Kations M2+ durch den Rezeptor bewirkt eine Erhöhung des Redoxpotenzials des Fluorophors. Die sich daraus ergebende Senkung des Energieniveaus des HOMO unter das HOMO-Niveau des Fluo-

326

8. Spezielle Eigenschaften und Anwendungspotenziale

rophors verhindert den photoinduzierten Elektronentransfer und führt zum Anstieg der Fluoreszintensität. Der Metall-besetzte Rezeptor (rechts oben in Bild 8-14) verhindert einen photoinduzierten Elektronentransport, der freie Rezeptor hingegen ermöglicht letzteren. Es ist also eine Schaltung der Lumineszenz zwischen den Zuständen „an“ und „aus“ möglich, je nachdem, ob ein Metall-Ion in den Ionophor eingelagert oder entfernt wird.[52] hQ

hQ PET

PET

M2+ D

D

hQ'

M2+

hQ'

Fluorophor (angeregter Zustand)

Fluorophor (angeregter Zustand)

Rezeptor

besetzter Rezeptor

E

E

LUMO

LUMO HOMO HOMO

HOMO

HOMO

Bild 8-14 PET-Sensor (schematisch; nach de Silva et al.) oben: Schema der Komplexbildung des Ligandteils des Fluoroionophors mit dem Metall-Ion. Unten: entsprechende Energieniveaux für den unkomplexierten (links) und M2+-komplexierten Komplexliganden (rechts)

Dass signalgebende Einheiten durch zahlenmäßige Vermehrung der peripheren Fluorophore, also „dendritisch verstärkt“ werden, zeigten Balzani, Vögtle et al. anhand dendritischer Cyclam-Verbindungen. Die Chancen dieser PET-Sensorsysteme bestehen in der Kombination von selektiven Koordinationsstellen mit der dendritischen Architektur. Der Mechanismus ist ähnlich wie oben beschrieben, jedoch kann er durch die Einführung von dendritischen Einheiten unterschiedlicher Generationen in das Sensorsystem beeinflusst werden. Für den Elektronentransfer (ET) spielt der Abstand der terminalen Naphthalen-Gruppen des Dendrons zum Rezeptor (Ion als Gast im Cyclam-Kern) eine wesentliche Rolle (Bild 8-15).[53]

8.5 Biomimetik, Sensorik, Diagnostik (Fluoreszenz)

O

327

O

O

O

O

O O

O

O

O O

O N

N

N

N

O

O

O O

O

O

O

O O

O O

O

Bild 8-15 Cyclam-Dendrimer (Ionophor) mit 16 terminalen Naphthalen-Fluorophoren (nach Balzani, Vögtle et al.)

Aida et al. konnten ein dendritisches Zink-Porphyrin-Heptamer (7PZn-C60) mit Fulleren terminiert als Elektronentransfer-System synthetisieren, welches sichtbares Licht für den Elektronentransfer zur Fulleren-Gruppe sammelt (Kapitel 6.3.3.5). Durch den Elektronentransfer von der Porphyrin-Einheit zum Fulleren kommt es zu einem ladungsgetrennten Zustand (PZn·+-C60· ), dessen Lebensdauer Gegenstand der Untersuchungen war. Vergleichende Studien wurden an dendritischen Porphyrinen in monomerer, trimerer und hexamerer Form durchgeführt. Dabei wurde festgestellt, dass das Zink-Porphyrin-Heptamer (7PZn) nicht nur als Lichtsammelantenne fungiert, sondern auch den Rücktransport verzögert, und damit die Lebensdauer des ladungsgetrennten Zustands verlängert. Diese Ergebnisse machen dendronisierte Farbstoffmoleküle für die effiziente Umwandlung von Solarenergie in chemisches Potential attraktiv.[54] Ein für Kalium-Ionen selektiver, dendritischer, fluoreszierender Chemosensor, der drei Kronenether-Einheiten in der Peripherie enthält, zeigte eine lineare Fluoreszenz-Verstärkung mit Anstieg der Kalium-Konzentration (in Acetonitril). Ein wichtiges Kriterium für KaliumChemosensoren ist deren Funktionsweise (Selektivität) in Gegenwart von größeren Mengen Natrium. Der im Bild 8-16 vorgestellte Tris-kronenether-Sensor vermag geringste Spuren an Kalium-Ionen zu detektieren, selbst wenn in der gleichen Messlösung – wie in Körperflüssigkeiten – größere Mengen an Natrium-Ionen vorhanden sind.[55]

328

8. Spezielle Eigenschaften und Anwendungspotenziale

O

O

O

O O

NC

NC

CN

O

O O

O O

O

O O

O O

Bild 8-16 Chemosensor mit Kationen-selektiven Benzo[15]krone-5-Einheiten

Solche Kation-selektiven Sensoren könnten Anwendungen sowohl in der klinischen Analytik, beispielsweise während chirurgischer Operationen und in der Umweltanalytik finden.[56]

8.6 Dendrimere in der Medizinischen Diagnostik Anwendungen für die Dendrimere werden im Bereich der Medizin, insbesondere in der Diagnostik gesehen.[57] Aufgrund der Möglichkeiten zur Vervielfachung spezieller Funktionalitäten an der Peripherie der Nanometer-großen Moleküle kann außer einer guten Wasserlöslichkeit eine hohe Empfindlichkeit erzielt und hierzu die Parameter in weiten Grenzen variiert und den jeweiligen Verhältnissen angepasst werden.

8.6.1 Magnetresonanz-Imaging (MRI)-Verfahren Das Magnetresonanz-Imaging (MRI)-Verfahren erlaubt es, Organe, Blutgefäße oder Gewebe im menschlichen Körper sichtbar zu machen. Dabei werden definiert inhomogene Magnetfelder erzeugt, die eine Zuordnung des Kernresonanzsignals des Körper-Hauptbestandteils Wasser zu seinem Entstehungsort erlauben, was letztlich in sichtbare Bilder umgewandelt wird. Durch Applikation (meistens Injektion) von Kontrastmitteln, die paramagnetische Metall-Ionen enthalten, wird in dem zu untersuchenden Organ die Relaxationszeit der Wasserprotonen signifikant verkürzt. Die Firma Schering AG, Berlin, entwickelte für dieses Verfahren das dendritische Kontrastmittel „Gadomer-24“, ein aus einer Trimesinsäure-Kerneinheit bestehendes Dendrimer, in dem sich Lysin-Dendrons der zweiten Generation verzweigen und sich am Ende der Verästelungen 24 periphere Gd(III)-cyclen-Komplexeinheiten befinden (Bild 8-17). Der signifikanteste Vorteil gegenüber Polymer-gebundenen GdChelatkomplexen besteht – abgesehen von der exakt einstellbaren Partikelgröße – in der geringen Toxizität, da Gadomer-24 vollständig renal (über die Niere) ausgeschieden wird.

8.6 Dendrimere in der Medizinischen Diagnostik

329

Bild 8-17 Gadomer 24 (schematisch): 24 Gadolinium-Ionen (grün) sind in 24 peripher angehefteten cyclen-Liganden gebunden; 18 Lysin-Einheiten bilden das dendritische Gerüst. Die Molmasse beträgt 17 kDa

Zusätzlich zeigt dieser Lysin-Dendrimer-gebundene Gadolinium-Komplex als Kontrastmittel eine höhere in vivo-Stabilität und damit eine längere Verweilzeit im Gewebe als vergleichsweise einfache kommerzielle Gadolinium-Verbindungen und gewährt somit eine verbesserte Visualisierung der Organe, Blutgefäße und Gewebe (Bild 8-18).[58]

Bild 8-18 Visualisierung der Blutgefäße eines Kaninchens mit dendritischem Gadomer-Kontrastmittel (rot gekennzeichnet). Die Abbildung wurde dankenswerterweise von Herrn Dr. H. SchmittWillich (Schering AG, Berlin) zur Verfügung gestellt

330

8. Spezielle Eigenschaften und Anwendungspotenziale

8.6.2 DNS-Dendrimere als Biosensoren für die DNS-Hybridisierung Der Zugang zu Nucleinsäure-Dendrimeren wird durch eine Reißverschluss-artige Aufspaltung des DNS-Doppelstrangs durch Erhitzen eingeleitet. Der Doppelstrang trennt sich durch die Wärmebewegung in die beiden Einzelstränge (Denaturierung). Auf die anschließende Aneinanderlagerung, die Hybridisierung von komplementären Sequenzen, folgt die schrittweise Quervernetzung zu DNS-Dendrimeren, die bis zu zwei Millionen Oligonucleotid-Endgruppenstränge enthalten können (Bild 8-19). Letztere können mit Fluoreszenz- oder radioaktiven Markern versehen werden. FluoreszenzMarker

FluoreszenzMarker

Target-DNS

Hybridisierung

Sonden/Target-Duplex

Sonden-DNS

Anker Glasoberfläche

Bild 7-19 DNS-Hybridisierung mit Fluoreszenz-Marker (schematisch)

Mit der Methode der Hybridisierung lassen sich so Sonden für die Detektion von beispielsweise Oligonucleotiden im Hühnerembryonal-Gewebe oder von Epstein-Barr-Viren (Pfeiffersches Drüsenfieber) bei Transplantat-Empfängern – durch Nachweis spezifischer RNSStränge – erhalten. DNS-Dendrimere und entsprechende Detektionsgeräte werden mittlerweile kommerziell angeboten (Firma Genisphere®). Weiteren Einsatz fanden Fluoreszenzmarkierte Polynukleotid-Dendrimere bei der Signalintensivierung in der DNS-MikrochipTechnologie.[59]

8.7 Medizinische Anwendungen 8.7.1 Dendrimere als Transportsysteme für Cytostatika Bei der Entwicklung neuer, nebenwirkungsarmer Krebstherapeutika gewinnen dendritische drug-delivery-Systeme zunehmend an Bedeutung[60]. Bedingt durch eine definierte KernSchale Architektur[61] und einer daraus resultierenden deutlichen Trennung von Gerüst und

8.7 Medizinische Anwendungen

331

funktionalisierter Peripherie, ist es möglich, einmal den Wirkstoff (Endorezeptor) in das Dendrimer einzubringen, oder diesen an die Peripherie anzuknüpfen (Exorezeptor). Beide Möglichkeiten bieten den Vorteil einer an den Wirkstoff angepassten Form dendritischen Transports. Durch die Endozytose wird beispielsweise eine längere Verweilzeit der Cytostatika im Blutplasma erzielt, weil Tumorblutgefäß-Systeme eine erhöhte Durchlässigkeit für Makromoleküle und einen eingeschränkten Ablauf über das Lymphsystem zeigen (EPREffekt = Enhanced Permeability and Retention).[62] Das Cytostatikum kann sich so zum einen im Tumorgewebe anreichern (passives targeting) und zum anderen die Toxizität für das gesunde Zellgewebe verringern. Voraussetzung für die nebenwirkungsarme Tumorbehandlung ist neben der Verkapselung die gezielte Freisetzung des Cytostatikums direkt in der Tumorzelle. Dies kann durch eine kovalente säurelabile Bindung an den Wirkstoff erreicht werden, da im Gegensatz zum gesunden Gewebe (pH 7,4) in Tumorzellen ein relativ niedriger pH-Wert von ca. 5,5 vorliegt (Bild 820).

H Einlagerung des Wirkstoffs und Verkapselung

Freisetzung des Wirkstoffs im sauren Milieu

Bild 8-20 Molekulare Verkapselung eines cytostatischen Wirkstoffs im Dendrimer und Freisetzung an Orten mit saurem pH (nach Haag et al.)

Vorrausetzung für den Freisetzungsmechanismus ist die Wasserlöslichkeit des (dendritischen) Transporters. Die Peripherie der Dendrimer-Moleküle ist meist hydrophob und somit wenig wasserlöslich. Aus diesem Grund wurden Dendrimere mit umgekehrter Polarität der äußeren Schale synthetisiert. Beispielsweise können die Esterfunktionen von PAMAM-Dendrimeren verseift werden, so dass an der Oberfläche an Stelle üblicher Aminofunktionen (Ammonium bei saurem pH) Carboxylatgruppen erscheinen.[63] Als Cytostatika konnten beispielsweise Adriamycin und Methotrexat in – an Polyethylenglycol befestigten – PAMAM-Dendrimeren eingeschlossen werden.[63d] Dendrimere wurden auch zugleich als Nanotransporter für Cytostatika und für die simultane Überwachung der Wirkstoffaufnahme in der Tumorzelle eingesetzt. Hierzu wurden actetylierte PAMAM-Dendrimere mit einem Durchmesser von <5nm an Folsäure (als Tumorerkennungsagenz) konjugiert und dann sowohl an Methotrexat als Wirkstoff sowie an Fluorescein gekoppelt. Diese Nanopartikel wurden Mäusen mit menschlichem KB-Tumor injiziert. Im Unterschied zu Polymeren ohne Erkennungsagenz blieben die Folsäure enthaltenden Dendrimere über vier Tage im Tumorgewebe konzentriert. Methotrexat konnte so dosiert wirken, die anti-Tumor-Eigenschaften stiegen und die Dunkeltoxizität nahm deutlich ab, ein Ergebnis, das durch einfache Gabe des Wirkstoffs nicht erreicht werden konnte.[64]

332

8. Spezielle Eigenschaften und Anwendungspotenziale

8.7.2 Gentherapie Im Kampf gegen Krebs und chronische Erkrankungen weckt die Gentherapie über die herkömmlichen medizinischen Methoden hinaus Hoffnungen. Man unterscheidet zwischen zwei Therapieformen. Beim in vivo-Verfahren wird das intakte Gen innerhalb eines Transporters (Vehikels, „Gentaxi“) direkt in den erkrankten Bereich gegeben. Die ex-vivo-Variante dagegen injiziert dem Patienten spezifische Zellen, die ihm zuvor entnommen, gentechnisch modifiziert und vermehrt wurden. Die herkömmliche Gentherapie bedient sich des viralen Gentransfers. Vorteile dieser Methode sind hohe Effizienz und Spezifität, nachteilig ist dagegen die hohe Immunogenität, d. h. es entstehen Reaktionen mit bereits vorhandenen Antikörpern gegen Wildtyp-Viren. Neuere nichtvirale Varianten versuchen diesen Nachteil zu umgehen und die Effizienz unter gleichzeitiger Minderung der Toxizität zu steigern. Zu diesem Zweck wurden PAMAM-Dendrimere eingesetzt, die auf Grund ihrer positiven Oberflächenladung bei höheren Generationen eine stärker kugelförmige Gestalt einnehmen. Die endständigen Aminogruppen bewirken im pH-Bereich von 7-8 eine positive Gesamtladung. Deshalb können sich stabile Assoziate mit negativ geladenen Genen bzw. DNS bilden und diese in eine Zelle oder sogar in den Zellkern transportiert werden. Die Dendrimere dienen also, wie oben erwähnt, als Vehikel für den Gentransport durch Membranen. Bemerkenswerterweise zeichnen sich gerade nicht perfekt aufgebaute Dendrimere, offenbar wegen ihrer höheren konformativen Flexibilität und geringerer sterischer Effekte (verglichen mit perfekten Dendrimeren) durch deutlich bessere Transfektions-Effizienz (höhere Transfer-Rate der DNS in die Zellen) aus.[65] Die Firma Qiagen brachte vor einigen Jahren das dendritische Transfektions-Reagenz PolyFect® auf den Markt. Es handelt sich hierbei um ein „aktiviertes“ PAMAM-Dendrimer. Die Aktivierung besteht in einer thermischen Behandlung, im Verlauf derer einzelne Zweige des Dendrimers abgespalten werden. (Bild 8-21) Unter physiologischen Bedingungen sind dessen terminale Aminogruppen positiv geladen und interagieren mit negativ geladenen Phosphat-Gruppen der Nucleinsäure. Das käufliche Reagenz vermag die DNS in eine kompakte Struktur zu verwandeln, die eine Aufnahme in die Eukaryontenzelle wesentlich erleichtert. In der Zelle puffert das PolyFect®-Reagenz, nachdem es mit den Endosomen fusioniert ist, maßgeblich die pH-Inhibierung der lysosomalen Nuclease (Bild 8-22). Dies erhöht die Stabilität des PolyFect-DNS-Komplexes und den Transport von intakter DNS in den Zellkern.[66]

thermische Behandlung

"aktiviertes Dendrimer"

Bild 8-21 Für den Gentransfer thermolytisch aktiviertes PAMAM-Dendrimer (schematisch)

8.7 Medizinische Anwendungen

333

8.7.3 Photodynamische Therapie Bei der Photodynamischen Therapie wird Tumorgewebe in Anwesenheit von Sauerstoff Licht-induziert zerstört, nachdem in das befallene Gewebe zuvor ein Photosensibilisator injiziert wurde. Die vom Photosensibilisator absorbierte Lichtenergie führt zur Bildung von zelltoxisch wirkendem Singlett-Sauerstoff (Bild 8-22). Der Photosensibilisator selbst wird später wieder ausgeschieden. Er wirkt demnach ausschließlich als Katalysator. Niedermolekulare Photosensibilisatoren zeigten jedoch toxische Nebenwirkungen, die eine klinische Anwendung beeinträchtigen.

Sensibilisator Triplettzustand T1

3 Energietransfer

O2

Intersystem crossing

Sensibilisator Singlettzustand S1 Tumorzelle Fluoreszenz

1 Sensibilisator Grundzustand S0

O2 Zelltod

Lichtabsorption

Bild 8-22 Wirkungsmechanismus von Photosensibilisatoren in der Tumorbekämpfung (schematisch)

Ein von Aida et al. synthetisiertes polykationisches Porphyrin-Dendrimer[67] der dritten Generation mit 32 quartären Ammonium- und 32 Carbonsäure-Gruppen zeigt im Einsatz als Photosensibilisator[68] eine signifikante Singlettsauerstoff-Toxizität gegenüber Lungenkrebszellen und gleichzeitig minimale Dunkeltoxizität (Bild 8-23). Dendrimer-Porphyrine können, bedingt durch ihre dendritische Architektur, absorbierte Energie über eine relativ große Distanz von der Peripherie zum Porphyrin-Kern transportieren, und sind insofern potentielle Photosensibilisatoren für die Photodynamische Therapie.

334

8. Spezielle Eigenschaften und Anwendungspotenziale R

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R = CONH(CH 2)2N Me3 Cl

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Bild 8-23 Porphyrin-Dendrimer (nach Aida et al.)

Tetraphenylporphyrine[69] sind hydrophobe Verbindungen und können ohne Hilfe nicht in das wasserhaltige Gewebe des menschlichen Körpers gelangen. Erst der Einbau in ein Dendrimer oder Liposom ermöglicht dies. Die Anwendung am menschlichen Körper ist noch nicht erprobt, jedoch wurden an geplatzten roten Blutkörperchen, den Erythrozyten-Schatten („Ghosts“) orientierende Experimente durchgeführt. Die Blutkörperchen wurden ausgewaschen, das Tetraphenylporphyrin in die Membran der Ghosts eingelagert und photophysikalisch untersucht.[70]

8.7.4 Dendrimere als Präventionsmittel gegen HIV Die Firma Starpharma, Australien, entwickelte ein Vaginal-Microbiocid (VivaGel), das erste auf Dendrimeren basierende Pharmakon, das von der amerikanischen Food & Drug Administration (FDA) die offizielle Erlaubnis für klinische Prüfungen erhalten hat. Die erste klinische Phase ist erfolgreich durchlaufen; das Präparat, das keine Reizungen oder Entzündungen verursacht, soll 2008 als Präventionsmittel gegen HIV-Infektionen auf den Markt kommen.[71] Der Wirkungsmechanismus der Substanz macht sich die polyvalenten Eigenschaften der Dendrimere zunutze. Die funktionellen Endgruppen des Dendrimers können sich wie ein „molekulares Klebeband“ verhalten. Sie treten mit den auf biologischen Strukturen wie Zellmembranen oder Viren befindlichen Rezeptoren in vielfache Wechselwirkungen. Aktiver Bestandteil von VivaGel ist ein Polylysin-Dendrimer (s. Kapitel 4.1.4) der vierten Generation, an dessen Gerüst über Amid-Bindungen 32 Naphthalendisulfonat-Einheiten geknüpft sind.

8.7 Medizinische Anwendungen

335

Diese poly-ionische Struktur kann durch Anbindung an den gp120-Glycoprotein-Rezeptor auf der Virus-Oberfläche vor HIV-Infektionen schützen. Der normale Ablauf einer Infektion von gesunden Zellen durch HIV beginnt, wenn das gp120-Protein an der Oberfläche des Virus sich an den CD4-Rezeptor an der Oberfläche der gesunden Zelle bindet.

8.7.5 Organ- und Gewebe-Züchtung Die Methode des Tissue-Engineering beruht darauf, lebende Zellen eines Organismus außerhalb des Körpers zu kultivieren, gegebenenfalls mit extrazellulären Komponenten zu kombinieren, und anschließend wieder zu implantieren. Der Vorteil solcher Implantate besteht in der Akzeptanz durch das Immunsystem, da die kultivierten Zellen als körpereigene erkannt werden und deshalb keine Abstoßungsreaktionen erfolgen. Nachteilig ist der Verlust von Funktionalitäten, weshalb bisher nur Haut gezüchtet werden konnte. Der steigende Bedarf an Gewebe beispielsweise für Brandopfer und Wartelisten bei Organ-Verpflanzungen fordert nach Alternativen und ergänzenden Maßnahmen. Grinstaff gelang es, Bio-Dendrimere via divergenter Synthese mit verzweigten AB2Monomeren aufzubauen, die in der Zukunft Anwendung im klinischen Bereich finden könnten. Als Monomere wurden beispielsweise Addukte der Glykolsäure und Milchsäure oder Derivate der Adipinsäure eingesetzt.[72]

8.7.5.1 Wundheilung In einem für die klinische Phase relevanten Tiermodell wurden unterschiedliche Aspekte der Wundheilung untersucht. Dazu wurden Polyamidoamin-Dendrimere (PAMAM) aufgebaut, zum einen mit Glucosamin-, zum anderen mit Glucosamin-6-sulfat-Resten funktionalisiert (Bild 8-24). Glucosamin-Dendrimere wirken als Immunomodulator, Glucosamin-6-sulfatDendrimere hingegen als anti-angiogenetische Substanzen.

336

8. Spezielle Eigenschaften und Anwendungspotenziale OH

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Bild 8-24 PAMAM-basiertes Glucosamin-Dendrimer (nach Shaunak et al.)

Kaninchen, denen beide Dendrimere nach einer Augenoperation wegen grünen Stars gemeinsam appliziert wurden, zeigten einen verbesserten Heilungsprozess sowie eine geringere Narbenbildung und eine abgeschwächte Entzündungsreaktion.[73] S. I. Stupp berichtete über Studien an Dendrimeren zur Gel-Bildung in Knochenspalten, die Einsatzmöglichkeiten bei Knochenfrakturen bieten.[74]

8.7.6 Borneutronen-Einfangtherapie Bei der Neutroneneinfang-Therapie (Boron Neutron Capture Therapie; BNCT) werden 10BIsotope in den Tumor eingebracht und mit Neutronen bestrahlt. Die langsamen Neutronen werden von den Bor-Isotopen eingefangen, das 11Bor-Isotop zerfällt unter Freisetzung hochenergetischer Į-Strahlung mit einer Reichweite von 9 µm, die ungefähr dem Durchmesser

8.8 Dendrimere in der Nanotechnologie

337

einer Zelle entspricht, so dass ausschließlich die Zelle zerstört wird, in welcher der Einfangprozess abläuft. Konkret bedeutet dies für den Patienten eine vorausgehende Injektion einer nicht radioaktiven Verbindung, die das stabile 10B-Isotop enthält und sich selektiv im Tumorgewebe anreichert. In einem zweiten Schritt wird der Erkrankte mit niedermolekularen Neutronen bestrahlt, die dann wie oben beschrieben den Tumor zerstören. Der Einbau von 10B-Isotopen in wasserlösliche Dendrimer-Gerüste mit Anknüpfungsmöglichkeiten für Tumor-ansteuernde Liganden ist ein innovatives Prinzip für die Entwicklung Bor-reicher stabiler Verbindungen mit hoher anti-Tumor-Aktivität, nicht zuletzt auch, weil durch die Anbindung an die Dendrimere eine höhere Konzentration an 10B-Isotopen in der Tumorzelle erreicht werden kann und die Dunkeltoxizität gering ist. Entsprechende Borcluster-haltige Dendrimere für die Borneutronentherapie wurden bereits synthetisiert.[75] Wichtig bei dieser Therapie ist es, eine möglichst hohe Konzentration an 10B-Isotopen im Tumorgewebe zu erreichen. Der Einbau von Borverbindungen in PAMAM-Dendrimere war ein vielversprechendes Konzept, jedoch zeigte sich neben der guten Immunreaktivität auch eine unerwünschte starke Anreicherung in Leber und Milz.[76] Ein Polylysin-Dendrimer mit 80 terminalen Bor-Atomen, die an Antikörperfragmente gekoppelt sind, führte zu ermutigenden Ergebnissen.[77] Um die Effizienz der Tumoransteuerung mit Antikörpern zu erhöhen, wurde ein kurzes Polypeptid, der so genannte epidermale Wachstumsfaktor (EGF; G von engl. growth) an ein PAMAM-Dendrimer der vierten Generation geknüpft. In vitro Experimente ergaben eine gewisse Selektivität für den EFG-Rezeptor bei Gehirntumoren.[78]

8.8 Dendrimere in der Nanotechnologie Wegen ihrer unschwer exakt einstellbaren Nanometerdimension und leichten MultiFunktionalisierbarkeit sind Dendrimer-Moleküle für die Nanotechnologie prädestiniert.

8.8.1 Photoschaltbare Dendrimere Von Vögtle et al. wurde ausgehend von 1,3,5-Tris(brommethyl)benzen als Kerneinheit durch konvergente Synthese das erste Dendrimer mit intramolekular akkumulierten AzobenzenEinheiten in der Peripherie aufgebaut (Bild 8-25); es zeigte erwartungsgemäß komplexe photoschaltbare Eigenschaften aufgrund von intramolekularen E/Z-Isomerisierungsmöglichkeiten.[79]

338

8. Spezielle Eigenschaften und Anwendungspotenziale

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Bild 8-25 Erstes photoschaltbares Dendrimer (nach Vögtle et al.); Zwischenstufen mit teilweise isomerisierten Azogruppen sind nicht gezeigt

8.8.2 Dendrimere als Schleusen Dendritische Moleküle können möglicherweise für nanoskalige „Schleusen“ oder „Ventile“ herangezogen werden. Hierzu wurden Azobenzen-Dendrons[80] mit endständigen HydroxylGruppen (Bild 8-27) im Innern von gut definierten Siliziumdioxid-Nanoröhren kovalent fixiert. Die Hydroxyl-Gruppen bewirken beim Sol/Gel-Prozess den Einbau der AzobenzenEinheiten in die entstehenden SiO2-Nanoröhren (Bild 8-26).[81]

SiO2-Nanoröhre (3,8 nm)

Bild 8-26 Potentielle schaltbare Nanoschleuse (schematisch), die Kegel stehen für dendritische Substituenten; Azogruppen (rot) sind in E- (geradlinig) oder Z-Konfiguration (gewinkelt) symbolisiert; Gastsubstanzen sind grün gekennzeichnet (nach Zink, De Cola, Vögtle et al.)

Durch lichtinduzierte Konformations-Änderung der Azobenzene kann je nach Wellenlänge des Lichts vom E- zum Z- und vom Z- zum E-Konformer geschaltet werden, die einer Diffu-

8.8 Dendrimere in der Nanotechnologie

339

sion von Gastsubstanzen unterschiedlichen Widerstand entgegensetzen. Bei passender Größe der Dendrons (Bild 8-27) – in Bild 8-26 kegelförmig angedeutet – können Ionen oder Moleküle eventuell Licht-getrieben durch die Schleuse befördert werden. Bei Vorliegen der EKonfiguration würde die Wanderung von Molekülen durch die Schleuse dagegen eher sterisch gehindert.

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Bild 8-27 Fréchet-Dendron-substituierte Azobenzene der nullten bis dritten Generation mit -CH2OHFunktionalisierung (nach Zink, De Cola, Vögtle et al.)

8.8.3 Dendrimere als Nanoröhren Nanoröhren gelten als vielversprechende Bausteine für eine Bandbreite von Anwendungen, zum Beispiel auf dem Gebiet der Nanoelektronik. Voraussetzung für die Synthese von Dendrimerröhren[82] ist der Einsatz von Poren-füllenden Gastverbindungen[83] als Templat. Hierzu wurden die Hohlraum-Innenwände eines definierte Poren enthaltenden (konkaven) Aluminium-Templats[84] mit einer Schicht von 3-Aminopropyl-dimethoxysilan (3-APDMES) ausgekleidet, die sich bei saurem pH positiv auflädt (Bild 8-28). Als zweite Schicht wird ein durch 96 Acetat-Endgruppen negativ geladenes N,N-substituiertes Hydrazin-Dendrimer der vierten Generation aufgezogen, gefolgt von Dendrimer-Schichten mit alternierenden Ladungen, z. B. aus dem gleichen Dendrimer-Gerüst, mit 96 Ammonium(salz)-Endgruppen. Die beiden gegensätzlich aufgeladenen Dendrimere wurden zuvor in Wasser von pH 5,5 gelöst und je Schichtlage wurde das Templat alternierend eine Stunde lang in die entsprechende Dendrimer-Lösung getaucht. Um die gewünschten freien Dendrimer-Röhren zu erhalten, wurde das anorganische Templat mit Chrom(III)oxid (in Phosphorsäure) oder mit Kaliumhydroxid-Lösung weggeätzt.

340

8. Spezielle Eigenschaften und Anwendungspotenziale

a) + 3-APDMES

b) +

KOH oder H3PO 4 + CrO 3 Dendrimer G4 (CH-COO Na )96 Dendrimer G4 (-NHEt2Cl )96

Bild 8-28 Herstellung von Dendrimer-Nanoröhren (3-APDMES = 3-Aminopropyl-dimethoxysilan); nach Masuda et al. (schematisch)

Die Dendrimer-Röhren, die mit dieser Multi-Schichtmethode hergestellt wurden, verfügen über nur ein offenes Ende und dürften daher einen Gradienten ihrer mechanischen Stabilität zeigen, der angibt, dass die effektive Anzahl der Schritte zur Schichtabscheidung nahe dem Porenboden kleiner ist als sonst, da dort das abzuscheidende ionische Dendrimer schwieriger hingelangt. Für die Darstellung von uniformen Röhren müssten daher Template mit zwei Öffnungen benutzt werden. Dendrimer-Röhren, ausgestattet mit einer Vielzahl von funktionellen Gruppen in ihrer Umgebung, könnten für diverse Anwendungen in Betracht gezogen werden. Denkbar wäre es, eine poröse Membran zu funktionalisieren, indem die Porenwände mit Dendrimeren ausgekleidet werden, die als Wirte für Gastmoleküle wirken können. Diese Architekturen könnten nützlich sein für Anwendungen im Sensorbereich oder auf dem Gebiet der analytischen Stofftrennung. Auch der Einschluss anderer Nanopartikel-Typen ist vorstellbar. Der Aufbau organischer Nanoröhren ist auch ausgehend von Porphyrin-Dendrimeren mit gezielter Kern/Schale-Architektur möglich. Bild 8-29 zeigt darüber hinaus, wie man dann durch „Entkernen“ (Entfernen des dendritischen Molekülteils) zu kovalenten Nanoröhren gelangt. Dafür wird zunächst aus einem dendritischen Metallo-Porphyrin mit AlkenEndgruppen ein Koordinationspolymer synthetisiert. Dieses wird durch RingschlussMetathese an der Peripherie intra- und intermolekular zum Polymer vernetzt.

8.8 Dendrimere in der Nanotechnologie

341

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Bild 8-29 Organische Nanoröhren durch Entkernen von Polylysin-Dendrimeren (nach Zimmerman et al.)

Anwendung könnten solche Nanoröhren zum Beispiel aufgrund der je nach Generation des eingesetzten Dendrons modulierbaren Wanddicke der Röhren finden. Ebenso könnte der Innendurchmesser der Röhre durch Wahl passender Kerneinheiten „designt“ und kontrolliert werden. Die Funktionalität des Rohräußeren und -inneren kann durch die Wahl geeigneter Edukte gesteuert werden.[85]

8.8.4 Dendritische Polymere als Template In der Mikroelektronik besteht aufgrund der raschen Entwicklung ein Bedarf an neuen Verbindungen mit hohem Funktionspotential. Die Symbiose von hoher Speicherdichte und hoher Ansprechgeschwindigkeit für neue Mikrochips stellt Anforderungen an neue Materialien

342

8. Spezielle Eigenschaften und Anwendungspotenziale

beispielsweise für Isolierschichten zwischen Leiterbahnen. Die Verwendung von nanoporösen organischen Schichten ist hier von Vorteil, weil eine Dielektrizitätskonstante < 2 erreichbar sein sollte. Dendrimere und hochverzweigte Polymere können als potentielle Porenbildner wirken. Hochverzweigte Polyester mit thermolabilen Triazin-Gruppen in der Hauptkette wurden als Templat in eine temperaturstabile Matrix eingebaut. Nach anschließender thermischer Vernetzung der Matrix unter Zersetzung des Porenbildners werden entsprechende Poren gebildet. In einer anwendungsnahen Metall-Isolator-Metall-Anordnung konnte die Dielektrizitätskonstante von 2.7 auf einen Wert von 2.2 gesenkt werden.[86] Die aufgezeigten Anwendungsbeispiele für Dendrimere sind zwar oft nur potentieller Natur, jedoch spiegeln sie das Spektrum der Möglichkeiten wider, das nahezu alle Gebiete von Werkstoffen bis zur Medizin abdeckt. Gerade letztere stellt Anforderungen und Auflagen an die Applikationen im Hinblick auf Reinheit und Verträglichkeit für den Menschen.

Literaturverzeichnis und Anmerkungen zu Kapitel 8

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Literaturverzeichnis und Anmerkungen zu Kapitel 8 „Spezielle Eigenschaften und Anwendungspotenziale“ Übersichtsartikel sind durch ein vorgestelltes fett gedrucktes „Übersicht(en)“ bzw. „Buch/Bücher“ gekennzeichnet. [1] Übersichten: a) G. E. Oosterom, J. N. H. Reek, P. C. J. Kamer, P. W. N. M. van Leeuwen, Angew. Chem. 2001, 113, 1878-1901; Angew. Chem. Int. Ed. 2001, 40, 1828-1849; b) D. Astruc, F. Chardac, Chem. Rev. 2001, 101, 29913023; c) D. Astruc, F. Lu, J. R. Aranzaes, Angew. Chem. 2005, 117, 8062-8083; Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 7852-7872; d) S. Hecht, J. M. J. Fréchet, Angew. Chem. 2001, 113, 76-94; Angew. Chem. Int. Ed. 2001, 40, 74-91. [2] M. B. Meder, I. Haller, L. H. Gade, Dalton Trans. 2005, 1403-1415; A. Tuchbreiter H. Werner, L. H. Gade, Dalton Trans. 2005, 1394-1402; SFB 623 der Universität Heidelberg: http://www.sfb623.uni-hd.de/ [3] F. Morgenroth, E. Reuter, K. Müllen, Angew. Chem. 1997, 109, 647-649; Angew. Chem. Int. Ed. 1997, 36, 631634; F. Morgenroth, C. Kübel, K. Müllen, J. Mater. Chem. 1997, 7 1207-1211; F. Morgenroth, A. J. Berresheim, M. Wagner, K. Müllen, Chem. Commun. 1998, 1139-1140; V. S. Iyer, K. Yoshimura, V. Enkelmann, R. Epsch, J. P. Rabe, K. Müllen, Angew. Chem. 1998, 110, 2843-2846; Angew. Chem. Int. Ed. 1998, 37, 2696-2699; F. Morgenroth, K. Müllen, Tetrahedron 1997, 53, 15349-15366; U.-M. Wiesler, K. Müllen, Chem. Commun. 1999, 22, 2293-2294; Übersicht: U.-M. Wiesler, T. Weil, K. Müllen, Top. Curr. Chem. (Bandhrsg. F. Vögtle) 2001, 212, 1-40. [4] U. Lüning, T. Marquardt J. Prakt. Chem. 1999, 341, 222-227. [5] J. W. J. Knapen, A. W. van der Made, J. C. de Wilde, P. W. N. M. van Leeuwen, P. Wijkens, D. M. Grove, G. van Koten, Nature 1994, 372, 659-663. [6] P. Bhyrappa, J. K. Young, J. S. Moore, K. S. Suslick, J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 5708-571; P. Bhyrappa, J. K. Young, J. S. Moore, K. S. Suslick, J. Mol. Catal. A 1996, 113, 109-116; P. Bhyrappa, G. Vaijayanthimala, K. S. Suslick, J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 262-263. [7] M. T. Reetz, G. Lohmer, R. Schwickardi, Angew. Chem. 1997, 109, 1559-1562; Angew. Chem. Int. Ed. 1997, 36, 1526-1529; N. Brinkmann, D. Giebel, G. Lohmer, M. T. Reetz, U. Kragl, J. Catal. 1999, 183, 163-168. [8] M. Kimura, Y. Sugihara, T. Muto, K. Hanabusa, H. Shirai, N. Kobayashi, Chem. Eur. J. 1999, 5, 3495-3500. [9] U. Kragl, C. Dreisbach, Angew. Chem. 1996, 108, 684-685; Angew. Chem. Int. Ed. 1996, 35, 642-644; N. Brinkmann, D. Giebel, G. Lohmer, M.T. Reetz, U. Kragl, J. Catalysis 1999, 183, 163-168. [10] Übersichten: D. Seebach, P. B. Rheiner, G. Greiveldinger, T. Butz, H. Sellner, Top. Curr. Chem. (Bandhrsg. F. Vögtle) 1998, 197, 125-164; allgemein: T. Ikariya, K. Murata, R. Noyori, Org. Biomol. Chem. 2006, 4, 393-406. [11] a) H. Brunner, J. Organomet. Chem. 1995, 500, 39-46; b) Übersicht über „künstliche Enzyme“ allgemein: R. Breslow (Hrsg.) Artificial Enzymes, Wiley-VCH, Chichester/Weinheim 2005. [12] H. Brunner, S. Altmann, Chem. Ber. 1994, 127, 2285-2296. [13] M. S. T. H. Sanders-Hoven, J. F. G. A. Jansen, J. A. J. M. Vekemans, E. W. Meijer, Polym. Mater. Sci. Eng. 1995, 210, 180-182. [14] C. Bolm, N. Derrien, A. Seger, Synlett 1996, 387-388. [15] Bücher: J.-M. Lehn, Supramolecular Chemistry. Concepts and Perspectives, VCH, Weinheim 1995; J. W. Steed, J. L. Atwood, Supramolecular Chemistry, Wiley, Chichester 2000; F. Vögtle, Supramolekulare Chemie, Teubner, Stuttgart 1989, 1992; Supramolecular Chemistry, Wiley-VCH, Chichester 1993; J.-H. Fuhrhop, J. Köning, Membranes and Molecular Assemblies: The Synkinetic Approach, The Royal Society of Chemistry, Cambridge 1994; K. Ariga, T. Kunitake, Supramolecular Chemistry – Fundamentals and Applications, Springer, Berlin/Heidelberg 2006. [16] G. R. Newkome, C. N. Moorefield, G. R. Baker, A. L. Johnson, R. K. Behera, Angew. Chem. 1991, 103, 12051207; Angew. Chem. Int. Ed. 1991, 30, 1176-1178; G. R. Newkome, G. R. Baker, C. N. Moorefield, M. J. Saunders, Polym. Prepr. 1991, 32, 625-626; G. R. Newkome, C. N. Moorefield 1992, U. S. Pat. 5154853. [17] Übersicht: H. Frey, K. Lorenz, C. Lach, Chemie in unserer Zeit 1996, 30, 75-85.

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8. Spezielle Eigenschaften und Anwendungspotenziale

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Literaturverzeichnis und Anmerkungen zu Kapitel 8

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346

8. Spezielle Eigenschaften und Anwendungspotenziale

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Literaturverzeichnis und Anmerkungen zu Kapitel 8

347

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Ausblick Wie das Buch zeigt, sind nieder- und hochmolekulare dendritische Moleküle und vielfachverzweigte Substituenten inzwischen überall in der Chemie fachübergreifend vertreten. Viele Forschergruppen bearbeiten das Gebiet weltweit. Mehrere Dendrimer-Typen sind in verschiedenen Generationen kommerziell erhältlich. Einzelne Anwendungen werden bereits vermarktet, weitere zeichnen sich ab. Was kann man von der Dendrimer-Chemie in Zukunft erwarten? Während sich die meisten bisherigen Dendrimere auf maximal fünf Generationen beschränken und als höchste Generationszahl nur wenig über zehn erreicht wurde, werden – langfristig – hohe Generationen im zwei- und vielleicht dreistelligen Bereich mit entsprechend zahlreichen peripheren Gruppen in reiner Form zugänglich gemacht und dank verbesserter analytischer Methoden detailliert charakterisiert werden. Weitere Elemente des Periodensystems werden in Kern, Verzweigungen und Peripherie von Dendrimeren eingebaut werden. Dendritische Silikone hoher Reinheit scheinen noch zu fehlen. Während rein aromatische dendritische Kohlenwasserstoffe beschrieben sind, sind aliphatische CxHy-Dendrimere bisher kaum bekannt. Dafür werden noch effiziente unsymmetrische C-C-Knüpfungsreaktionen benötigt; ein Anreiz für grundsätzlich neue, Nebenproduktarme Synthesemethoden. Die chemische Funktionalisierung der Dendrimere im Hinblick auf Dendron-/CascadonBausteine wird Fortschritte machen, insbesondere die nicht-triviale vielfache selektive und orthogonale Funktionalisierung der Peripherie. Chemisch funktionelle – einschließlich chiraler – und physikalisch funktionale Einheiten werden vermehrt gezielt in dendritische Moleküle eingeführt werden. Die vielen strukturellen Variations- und Adaptionsmöglichkeiten haben Vor- und Nachteile: Erstere liegen in der Chance, bestimmte Eigenschaften zu optimieren; Nachteilig dabei ist der oft erforderliche Aufwand, solange nicht Erfahrungswerte und theoretische Methoden genauere Voraussagen über Struktur/Eigenschafts-Beziehungen (einschließlich Chiralität) erlauben. Es mangelt aber auch an einfachen Standard- und preiswerten Synthesen für höhere Generationen bestimmter dendritischer Gerüste, z. B. solche, in denen Stickstoffatome für die Verzweigung zuständig sind. Supramolekular zusammengesetzte Dendrimere werden mit fortschreitenden Erkenntnissen über dynamisch-nicht-kovalente und adaptive Systeme[*] verstärkt bearbeitet werden. Dendritische Verzweigungen, ausgehend von formtreuen Makrocyclen, deren Verästelungen ins Ringinnere (intraanular) anstatt nach außen ragen, könnten zugänglich werden. Die gezielte Herstellung von Dendro-Isomeren und ihre exakte Analyse wecken Hoffnungen, solche großen Moleküle mit reichhaltigem „Innenleben“ in Zukunft auf bestimmte Eigenschaften, wie Löslichkeit, Schmelzpunkt, Temperaturbeständigkeit hin designen zu können. [*] J.-M. Lehn, Vortrag an der Universität Bologna am 4.12.2006: „From supramolecular chemistry to constitutional dynamic chemistry”; J.-M. Lehn, „From supramolecular chemistry towards constitutional dynamic chemistry and adaptive chemistry”, Chem. Soc. Rev. 2007, 36, 151-160.

Ausblick

349

Schließlich wird angestrebt werden, genaue Reinheits- bzw. Defektangaben für einzelne Dendrimere verfügbar zu haben, so dass die Deklarierung als reines Cascadan oder hyperverzweigte Substanz mit mehr oder weniger hohem Dispersionsgrad einheitlich möglich ist. Bei den Anwendungen könnten die Nanotechnologie, Lacke, Oberflächenbeschichtung, Katalysatoren, Filmbildung, Optoelektronik, Gelatoren, Diagnostik, im Vordergrund stehen. Genügend Freiraum und Herausforderung also für Forschung, Entwicklung und Anwendungen auf diesem faszinierenden Gebiet. Nur neuartige molekulare und supramolekulare Architekturen werden zu grundsätzlich neuen High-Chem-Materialien führen. Wegen der Vielfalt der Themen in der Dendrimer-Chemie und der Berührungspunkte mit anderen Disziplinen wird sie sich in Zukunft auch dadurch weiterentwickeln, dass auf Nachbargebieten Fortschritte erzielt werden und sich damit neue Türen öffnen.

Personenverzeichnis Aida 17, 46, 148, 196, 199, 200, 207, 208, 265, 318, 327, 334 Alder 106, 108, 109, 111, 115, 244, 245, 249 Astruc 213, 214, 216, 262, 263

Bäklund 72

Diederich 46, 148, 170, 259, 305, 318 Diels 106, 108, 109, 111, 115, 244, 245, 249

Beer 206

Hirsch 50, 51, 126, 127, 224 Hoffmann 6

Diels-Alder 106, 108, 109, 111, 115, 244, 245, 249

Höger 6

Dogan 60

Houwink 22

Dötz 6

Hoveyda 214

Ballauff 25, 286, 288 Balzani 6, 46, 47, 48, 63, 94, 104, 105, 114, 151, 190, 191, 192, 193, 198, 201, 203, 228, 231, 232, 236, 241, 323, 326, 327

Heck 53, 150, 251, 309

Horner 112

Hult 17 Einstein 280 Elschenbroich 5

Interrante 145 Janiak 273

Flory 16 Förster 188, 189, 194, 227

Kaifer 46, 95, 148

Frank 196

Kakimoto 140, 143 Kawa 148

Caminade 17, 128

Fréchet 8, 15, 17, 18, 25, 41, 42, 46, 48, 67, 69, 70, 72, 73, 75, 80, 116, 117, 118, 119, 120, 121, 148, 162, 164, 166, 167, 190, 195, 196, 200, 201, 202, 207, 211, 212, 236, 238, 239, 247, 257, 292, 308, 311, 339

Carothers 144

Frey 24

Ceroni 6, 193, 232

Friedhofen 6, 101, 102

Chow 72,172,173, 244, 245, 248, 264

Gade 5, 135

Condon 196

Gauß 288

Cotton 168, 295, 296

Grignard 133, 144

Credi 236

Grinstaff 335

Bingel 126 Blackstock 261, 262 Blank 6 Brammer 60 Brüggemann 6

Kharasch 242, 308 Kim 77, 78, 115, 140, 220, 221, Klärner 6, 236, 237, 241 Knoevenagel 111, 112

Lambert 132, 133 Lang 138, 139, 141 Lehn 59, 348 Lescanec 24 Liang 211, 212 Lindhorst 122, 123, 124, 136

Grubbs 214, 215, 218 De Cola 6, 46, 94, 191, 193, 198, 207, 228, 339

Lochmann 73 Guldi 126 Lukin 56, 57

de Gennes 14, 27 Haag 6, 331

Lüning 6, 50, 308

Denkewalter 13, 39, 104, 159 Hamilton 223, 225, 226, 227 Maciejewski 14

Dexter 188 Hart 106 Hawker 15, 44, 66

Majoral 17, 73, 75, 77, 128, 145, 146, 147, 155, 173

Personenverzeichnis

351

Majoros 100

Portner 6, 169

Stokes 186, 280

Mak 172, 173

Percec 54, 107

Suzuki 54, 71, 115, 127, 132

Mandelbrot 19

Pina 203, 207

Swenson 17

Mark 22

Pu 170, 171, 247 Terunuma 136

Masamune 142 Mathias 144

Qualmann 103

Togni 149, 150

Meier 107, 112, 113 Meijer 17, 76, 94, 166, 175, 176, 177, 222, 230, 234, 280, 282 Menschutkin 129 Menten 244, 255 Merrifield 44 Michael 5, 12, 14, 92, 93, 94, 99 Michaelis 244, 255 Miller 16, 107, 108, 112, 261 Mislow 166, 305 Moore 107, 112, 196, 197, 251 Moorefield 233 Mülhaupt 94

Thayumanavan 119

Rabe 55

Tomalia 14, 15, 17, 26, 35, 39, 98, 99, 100, 223, 241, 260, 261

Rabus 6 Ramberg 72 Raymo 236

Ueda 17

Reetz 150, 251, 252 Richardt 6

van der Made 134, 135

Röntgen 6, 10, 57, 114, 271, 284, 285, 303

van Heyst 6

Roovers 134

van Koten 130, 131, 150, 214, 243, 246, 308, 323

Roy 121

van Leeuwen 134 Verdonck 214

Sakata 124, 125 Sandten 6 Sauvage 6, 59

Müllen 16, 17, 73 ,82, 83, 109, 110, 111, 293, 308

Schlüter 6, 17, 55, 71

Muthukumar 24

Seebach 162, 163, 249, 279

Muzafarov 134

Sekiguchi 133, 135

Vögtle 6, 12, 13, 16, 17, 39, 46, 93, 94, 99, 100, 101, 102, 104, 105, 114, 167, 168, 169, 190, 191, 192, 193, 197, 198, 201, 203, 207, 228, 231, 232, 238, 239, 241, 288, 293, 326, 327, 337, 338, 339

Selby 262

Weber 13

Nakayama 137

Seyferth 134

Webster 115

Neenan 16, 107, 108, 112

Sharpless 44, 171, 172

Werner 6

Newkome 7, 8, 15, 29, 36, 39 48, 66, 73, 76, 99, 126, 147, 150, 151, 152, 174, 176, 198, 232, 233, 281, 323

Shinkai 77, 78, 325

Wittig 112

Sierpinski 19, 20

Wooley 44, 118, 288

Smith 49

Wu 133

Nierengarten 149, 195

Spindler 41 Staudinger 22, 23

Overhauser 279, 280

Stille 115, 230

Parquette 178, 179, 181

Stoddart 236

17, 122, 129, 130,

Zimmerman

42, 219, 341

Sachverzeichnis AB2FG 68, 69, 85, 86 AB2 - Monomer 25, 76, 115, 116, 127, 335 - Element 223

Adduktbildung 282

Acceptor 50 - Acceptor-Donor-Acceptor 188 - Einheit 50, 144, 223

Adipinsäure 335 Adriamycin 331 Adsorption 272, 275, 282

- Farbstoff 144

Affinität 115, 251, 234, 352

- Verknüpfungseinheit 101

Acetat-Endgruppen 339

- Verzweigung 93, 98

Acetonitril 201, 204, 272, 327

AFM 10, 55, 289, 290, 291, 292, 293, 299

- Verzweigungseinheit 69, 92, 97

Acetophenon 322

Aggregat 182, 223, 235, 246

Acetylen-Gruppen 108

Aggregation 64, 109, 114, 146, 182, 200, 223, 234, 246, 250, 305,

AB8-Monomer 25 ABB’-Monomer 76, 83

achirale Dendrons 249

Abfädeln 221, 238

achirale Dendrimere 153

abgeschirmt 104, 192, 245

Acryl 54

abiotische Aminosäuren 317

Acrylnitril 12, 93, 99

Abscheidefähigkeit 309

Acrylsäuremethylester 99

Abschirmung 64, 80, 148, 170, 192, 219, 246, 249, 251, 257, 259, 309, 318

Acylierung von Polyolen 308

Abschirmungseffekt 198, 249

8, 92,

Adamantan-tetracarbonsäure 149

Aggregationsverhalten 38 aggregieren 260, 308, 311 Akronym 92, 97 aktive - Gruppen 42, 173, 174 - Kupplungsstellen K - Zentren 40, 64, 243, 251

Adamantyl

Aktivester-Derivate 252

- Einheiten 235 - Endgruppen 6, 313

aktiviert 38, 40, 41, 42, 66, 76, 86, 103, 117, 185, 215, 303, 332, 333

Absorptions-/EmissionsEigenschaften 204

- Gasteinheiten 234

aktivierte

- harnstoff 222, 280

- Alkylketten 76

Absorptions-

- harnstoff-Gruppen 79

- Kopplungsstelle 42, 86

- bande 295, 323

- Reste 234, 235, 313

- Carbonsäurederivate 66

- maximum 194, 195, 196, 229, 294

- terminiert 313

aktivierter Hyperkern 117

Addition 12, 44, 46, 308

aktiviertes

absolute Methoden 299 Absorption 168, 186, 187, 232, 237, 292, 295

- spektren 186, 189, 201, 204, 296 Abstands- bestimmung 279 - halter 99, 134, 140, 142, 162, 261

- von Diethylzink an Benz-aldehyd 177, 311 additiv 172, 297 Additive 10 307, 311, 312, 313 additive Beziehung 161

Abstoßung 234, 244, 246

Additivität 161

Abtasthöhe 290

Additivitätsregel 297

- Dendron 40, 117 - PAMAM-Dendrimer 333

332,

Aktivierung 39, 40, 41, 53, 67, 82, 117, 122, 146, 332 Aktivierungsschritt 101, 103, 145

38, 41,

Sachverzeichnis Aldehyde 73, 112, 257, 321

353 - verbindung 215

- Ionen 255,256

Aldimin-Chelatliganden 306

allylische Substitution 309

- (salz)-Endgruppen 339

aliphatische Kohlenwasserstoffe 322

Aluminium

- terminierte Porphyrin-Dendrimere 199

aliphatischer Spacer 163 aliphatisches Diamin 49 Alkali

- oxid 271

Amphifulleren 126, 127

- Templat 339

amphiphil 76, 119, 255

Amid-

- metall 59, 282 - metall-Ionen 282

- bindungs-Knüpfung 44

amphoter 75

- Einheiten 104

Amplifikations-Effekt 21

Alkaloide 167, 169

97, 99, 102,

Amphiphile 311

- Bindungen 235, 335

amphipile Dendrimere 36, 255

Alkane 56, 272

Amide 50, 104, 321

Alken 214, 215, 251, 259

Amidierung 67

- Endgruppen 340

Amidoamin-Dendrimere 53

- Epoxidierung 308

Amidoferrocenyl-Einheiten 96

- Monomere 177, 217

Amine 73, 257, 322

Ȧ-Alkenylierung 134

Analyse chiroptischer Daten 297 Analyt - komponenten 321 - probe 273 Analytik

Amin-

- methoden 46, 166, 271, 278, 284, 348

Alkin-Funktionalität 73

- Einheiten 202, 204

alkinylierte Monomere 44

- Kern 257

Andocken 222, 226

Alkohole 99, 168, 171, 186, 249, 308, 311

- Stickstoffatome 92

Andockstellen 96, 320

- terminiert 78, 223

angeregter Zustand 187, 188, 189, 326

Alkohol-Endgruppen Alkoholyse 137, 138, 140, 142 AlkyltrimethylammoniumiodidGruppen 255 allosterische

Aminierung Amino-1-phenyl-1,3-propanol 310 Amino-

angeregtes Dimer 187 Angew. Chem.-Übersicht 61, 266, 343, 345

58,

- alkohole 66, 170, 171, 177, 311, 322

Ångström 56

- Transmission 178 - Übertragung 179

- Dendrons 121

Anilin 322

- Wechselwirkungen 79

- Funktionen 84, 103

allosterischer Transfer 181

- Gruppen 234, 314

Anilino-naphthalen-1-sulfonat 235

Allyl

- säure 103, 176, 298

Anionen

- bromid 215 - Dendrimer 215

- terminierte 223

Dendrimere

- gruppen 73

Aminopropyl-dimethoxysilan 339, 340

- magnesiumbromid 140

Ammonium

- phenyl-Ether 144

- chlorid-Dendrimer 255

tris(dimethylsiloxy)silan 144

- fluorid 108

Anheften von Dendrons 53, 54

- Austausch 129, 130 - radikal-Zentren 260 anionische - Farbstoffmoleküle 314 - Gäste 130, 262, 313 Ankergruppen 140, 312

313,

354

Sachverzeichnis

Anmerkungen 7, 8, 9, 10, 35, 54, 88, 153, 178, 209, 266, 297, 343

Aren

Außenhülle 199, 206, 233, 235

- Bausteine 72

äußere Oberfläche 98

anomale ORD und CD 295

- Einheiten 16, 33, 202, 205, 292

Automatisierung 39, 278

anorganische Chemie 141

- reiche Dendrimere 299

5, 88,

axial-chiral 160, 164, 170, 171 Azide 66

Anregung 83, 104, 185, 186, 187

Aromastoffe 321 array 314

Azid-funktionalisierte Reagenzien 66

Anregungsenergie 187

Aryl-

Azido-Dendrimer 44

Anregungszustand 185

- acetylen-Einheiten 196

ANS 235

- Aryl-Kupplungen 115, 127

- dekoriert 205

Ansprechgeschwindigkeit 341

- boronsäure 71

- Dendrons 338

Ansprechverhalten 323

- bromid-Funktionalität 71

- Einheiten 76, 204, 205, 227, 228, 337, 338

Antenne 80, 81, 104, 105, 107, 194, 195, 264 Antennen-Effekt 197, 207

9, 194, 195,

Arzneistoffe 205 Assoziate 199, 332 Assoziations-Konstante 237 asymmetrisch katalysierte Reaktionen 149

Anthracen - Einheiten 77, 324

Azobenzen

- funktionalisiert 206 - Kerneinheit 207 Azogruppen 338 Azonium-Ion 205

asymmetrische

- Gruppen 324 anti-angiogenetische Substanzen 335

- Katalyse 8, 159, 173, 176

Backfolding 25

- reduktive Alkylierung 249

Bandenspektren 186

Synthese 162

anti-inflammatorisch 233

bar 274

Antikörper 332, 337

Atomic Force Microscopy 289

anti-Tumor-

Atropin 162, 168

- Endgruppen 223

- Aktivität 337

Attomol-Bereich 282

- Gast 225, 226, 227

- Wirkstoffe 66, 67

Au 111 140

- Rezeptoren 225

Aufarbeitung 40, 44

- Rezeptornische 225

Anwendungspotenzial 10, 13, 219, 306 Anzahl

- der nächsten Generation 39

- der Gerüsteinheiten 32 - peripherer Gruppen 57, 119

29,

- von Endgruppen 20, 21, 26, 29, 30, 31, 40, 41, 57, 64, 97, 99, 211, 306, 311 APDMES 339, 340 apolare Lösungsmittel 237

Aufbau

- des Dendrimers 15, 20, 26, 27, 38, 41, 42, 43, 69 Auflösung 252, 285, 290, 292 Aufnahmevermögen für Gäste 205 Aufpfropf-Strategie 53

Barbiturat

Basislinien-Trennung 275 bathochrom 229 Baukastenprinzip 50 Baukastensystem 38 Baum 14, 15 - artig verzweigte Struktur 17, 18 - Verästelungen 18, 35

arbor 15

Ausbeuten 44, 177, 214, 230, 258, 259, 309

Bausteinbibliothek

Arborol 15, 174

Ausbluten 311

Bayer AG 136

Bauteile von Dendrimeren 22

Sachverzeichnis

355

Beaufschlagphase 321

- Katalysatoren 248

Bengal Rose 229, 314

- Liganden 246, 248

Benzaldehyd 177, 246, 249, 257, 311, 322 Benzen - 1,3,5-tricarbonsäure-Kern 218 - Dendron 119

Borneutroneneinfang-Therapie 73, 102 Boronsäure- 77, 324

Biochips 219

- Einheiten 217, 324

Bio-Dendrimere 335 biokompatible 176 biologische 323

Dendrimere

- Ester 217 - Saccharid-Komplexe 324

Protonenpumpe

Glycol-Wechselwirkung 325

Biolumineszenz

Brechungsindex 277

Biomimetik 10, 317

Brombenzen 251, 309

bioorganisch

Bromsilan 142

Biosensoren 11, 330

Buchstabenfolge 44

- Dendrons 119

Bipyridine 46, 191, 192, 197, 223

But-2-enoyl-oxazolidin-2-on 249

- Einheiten 219

Bipyridin-Liganden 192

Butandiamin-Kerneinheit 97

Berlin 17, 328, 329

Bipyridinium-Kern 236, 237

Bestrahlung 70, 107, 205, 215

Bis(cyclopentadienone) 115

Butyloxycarbonyl-Gruppen 103

- Ringe 107, 109, 111, 112, 166, 169 Benzylbromid 78, 87, 116, 167 Benzylether- Dendrimer 211

Bis(ethoxy)methylsilan-Reste 141

C3-Symmetrie 261

Biaryl-Dendrimere 118, 119

Bis(methylol)propionsäure 121

Cambridge Display nology 315

bifunktionalisierte

Bis(oxazolin)

Cantilever 290

- mit UV-Licht 70 Bi-2-naphthol 164

Tech-

- Dendrimere 75, 78, 79

- Liganden 244, 245

Carbazole 70

- Molekülperipherie 74, 76, 77, 86

- Metallkomplex 244

Carbonylverbindungen 322

Bifunktionalisierung 74, 75, 77, 78, 79, 82, 84, 324 - von Endgruppen 79 Bifunktionalisierungs-

Bis-Cyanoethylierung 12

Carboran-Einheiten 102

bis-MPA 121

Carbosilan-

B-Isotope 336, 337

- Methode 77, 78, 79

Blitze 18

- Strategien 82

Blumenkohl-Dendrimer 140

bimolekulare Hydrolyse 255 Binaphthol-Kerneinheit 170 BINAP-Liganden 247 Binaphthyl-Einheit 248 Bindungsaffinität Bindungskonstante 256

237, 244,

BINOL 246, 247, 248

- Dendrimer 24, 66, 134, 135, 136, 137, 138, 140, 242, 243, 291, 308, 309,

Bis-Oxazolin 244

Nickel-Komplexe 243 139,

Blutgefäße 17, 18, 328, 329 Blutkörperchen 334

Carbosilane 132, 134, 136, 137, 138, 140, 307 Carbosiloxan

BNCT 336

- Dendrimer 138, 140, 141, 144

Boc 103

- Seitenarme 137

- geschützt 336, 337

Carbosiloxane 138, 140, 141, 144

Bor-Isotope Carboxylat-

356

Sachverzeichnis

- Endgruppen 323

chemisches Potential 327

- Säulenmaterialien 177

- Funktionen 126

Chemolumineszenz 185

- stationäre Phase 275, 162, 167

Carceranden 315

chemoselektiv 129

Cascadane 27, 28, 37

Chemosensor 325

Cascadan-Nomenklatur 7, 30, 34

Chinin 167, 168

Cascadaplexe 28 Cascade 29

- Störungen 180 - Umgebung 168, 176 - Unterstrukturen 298, 163

- Dendrimere 168

- Verstärkung 180

chiral

Verzweigungseinheiten 159, 172

- amplification 180

Cascadons 28

- stationary Phase 162, 177

Cascadyl 29, 30 - Substituenten 29 Catenane 28, 164 CCM 290 CD 294, 295 - Banden 296, 298

chirale

- Kern 8, 164 ,168, 170

- Auxiliare 254

- Spacer 172

- Bauelemente 159

chirales

- Bausteine 160, 161, 297

- Dendrimer 8

- Binaphthyl-Einheiten 248

- Monomer 180

- Daten 164, 172

- Chromatographie-Materialien 162

- Signal 164, 168, 169

- Cluster 177, 182, 305

- Spektren 298

- Dendrimere 8, 159, 160, 161, 169, 176, 177, 275

169, 170, 296,

- Spektroskopie 164, 298

- Einheiten 64, 173, 176

CF3-Gruppen 279

- Endgruppe 159, 160, 175, 175

CFM 291 CH2-Bausteine 105 Charge-Transfer- Komplexe 223, 260 - Wechselwirkungen 75, 240

Chiralität 38 - dendritischer Moleküle 8 - der Kerneinheit 162, 163, 165, 169 - des Gesamtmoleküls 296

- Dendrons 249

Cellulose 54

CF3SO3H 133, 204

chiraler

- Gastmoleküle 171, 298 - Gruppen 70, 176, 258

- von Dendrimeren 296 Chiralitäts- Elemente 167 - Sinn 169, 177, 178, 179, 180 - Verstärkung 177, 180

- Hohlräume 173

chiroptisch 161, 294, 297

- Induktion 177 - Information 166, 179

chiroptische

- Katalysatoren 171

- Eigenschaften 161, 162, 163, 169, 171, 172, 173

Chemiewerkstoffe 10, 311, 316

- Kerneinheit 160, 162, 163, 165, 167, 170

- Messmethoden 10, 271, 294, 295, 296, 297

Chemikalienresistenz 312

- Konformation 167

chemische

- konformative 162, 164

- Untersuchungen 161, 162, 167, 174, 249, 294, 295, 296, 297

chelatisierende Liganden 214

- Modifizierung 71 - Reaktivität eines Dendrimers 64

- Liganden 169

- Verschiebung 113, 278

- Orientierung 296

chemischer Transport 56

Ordnung

- Monomere 159, 161, 298

chiroselektive Wirt/Gast-Erkennung 177 Clathrate 284 Clathrat-Bildung 161

357

Sachverzeichnis Chlormethyltrichorsilan 144

- Einheit 202

Co(Salen)-Komplexe 252 2+

- Kern 201, 326

Chlorophyll 193

Co -Ionen 255

Chlorsilane 134, 137, 140

Cobalt 104

cyclen 329

Chlortetracyclin 232, 233

Cobalt(II)-phthalocyaninKomplexe 250

cyclische

CHM 289, 290 Chromatogramm 276, 275, 279

273, 275,

Chromatographie 274

271, 272,

- Kerneinheit 140

Cobalt-Ion 104

- Voltammetrie 261

Cobalt-Komplexe 250 Cobaltocenium-Einheiten 96

Cyclisierungen 27 95,

Cyclo-

Cobaltphthalocyanin 309

- addition 44, 66, 108, 115

- Säule 274

CoII-(Salen)]-Einheiten 252

- butadien 314

- Verfahren 271

Collision Induced Dissociation 282

- dextrin 96, 234, 235, 236, 313, 314

Computersimulationen 299

- pentadien 235, 244, 248

Constant Current Method 289

- propanierung 126, 310

Constant Force Mode 290

- voltammogramm 263

Constant-Height-Method 289

- pentadienon 108, 111, 112

chromatographische

Chromoionophore 79 Chromophore 63, 67, 70, 80, 83, 107, 112, 168, 189, 190, 194, 196, 282, 294, 315 chromophore Gruppen 192, 193, 315

168,

Chromophor-Einheiten 194

Containermoleküle 229

cycloenantiomer 160, 275

Chymotrypsin 118

Co-PAMAM-Katalysator 253

Cytochrom 318

CID 282

Copolymerisation 309

Cytochrom-C 126, 259, 318

circular

Cotton-Effekt 168, 295, 296

Cytochrom-P450 259

Cotton-Intensitäten 169

Cytochrom-Mimetika 259

cross-linking 219

Cytostatika 11, 16, 330, 331

- polarisiertes Licht 295, 305

294,

- polarisierter Teilstrahl 295

Crotonylimid 244

Circulardichrogramme 168

CSP 162, 167, 177, 275

D2O 236, 285

Circulardichroismus 10, 161, 164, 167, 168, 169, 174, 177, 294, 295, 298

Cu(I)-Phenanthrolin-Kern 149

Da 124, 146, 309, 310

Cu(I)-katalysiert 44, 310

DAB 25

circulare Doppelbrechung 294

Cu2+ 191, 231

- dendr 212

Click-

Cucurbit[8]uril 223

- Dendrimere 150, 251, 256

- Chemie 7, 44, 66

Cumarin 80, 19, 195

- POPAM 309

- Reaktion 44

Cyanobiphenyl-Gastmoleküle 280

clipping 234 Cluster 177, 182, 199, 223, 289, 305

Cyanoethylierung 12 Cyanursäure-Endgruppen 223

C-NMR 46, 112, 279, 300

Cyanursäure-Substrat 223

Co(II)-Borhydrid-Komplexe 93

Cyclam

.

Co(NO3)2 6H2O 204

- Dendrimer 202, 327

Dalton 309 Dansyl - dekorierte POPAM-Dendrimere 231 - Einheiten 104, 231, 232, 283, 323 - Fluoreszenz 231 - Funktionen 94

358

Sachverzeichnis

- Gruppen 104, 190 Darstellung - monofunktionaler Dendrimere 65

- Äste 68, 166 - Aufbau 26, 65, 67, 68, 70, 71, 73, 85, 219, 220, 275

- Nanoröhren 340

- Außenhülle 222, 235

- unsymmetrischer Dendrons 76

- Charakterisierung 279

- von Dendrimeren 46, 51, 82, 130, 132

- Chemie 5, 66, 149, 177, 271, 272

271,

DB 25

- Chemiker 63, 84, 280

DCC-Kupplung 120, 121, 122

- Cluster 199

de novo-Synthese 82

- Cyclodextrin-Aggregat 235

Decaborane 73

- Displays 315

Decarboxylierung 255

- Effekt 23

Decenyl-Einheiten 134

- Fettsäure-Wechselwirkung 234

DECHEMA 16, 17 Defekte 51, 116, 275, 279, 282, 284, 299, 307 defektfrei 28, 125, 282

211, 212, 231, 279, 285, 293, 294, 296, 297, 306, 309, 311, 312, 314, 331, 337

- Nomenklatur 28, 37 - Oberfläche 211, 220, 241, 242, 243 - Peripherie 41, 77, 163, 177, 220, 243 - Porphyrine 333 - Radius 26 - Röhren 339, 340 - Schalen 279

- Generation 26, 72, 108, 164, 168, 173, 196, 264, 277, 279, 285, 297, 298, 299, 309

- Schichten 281, 339 - Segmente 281, 287 - Symposien 16, 17, 18 - Synthese 48, 51, 72, 116, 272

- Gerüst 8, 21, 22, 38, 62, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 75, 78, 82, 86, 87, 99, 104, 112, 150, 161, 162, 163, 164, 167, 169, 170, 171, 172, 176, 194, 205, 207, 219, 222, 229, 231, 279, 280, 281, 282, 286, 287, 293, 297, 298, 308, 316, 337, 339

- Typ 8, 16, 20, 38, 41, 62, 66, 72, 85, 86, 88, 92, 99, 100, 112, 116, 130, 133, 141, 147, 152, 159, 161, 196, 198, 201, 287, 288, 311, 348

Defektstrukturen 277, 282, 284

- Größe 242, 264

- Vorläufer 66, 71, 85

definierte Poren 339

- höherer Generation 40

- Wachstum 26, 40, 277

Definition

- Hülle 64, 80, 198, 220

- Wirt 193, 229

defektfreie - dendritische Moleküle 27, 37 - Struktur 27 - monodisperse Dendrimere 37

- der Chiralität 182, 305

- Inneres 68, 70, 90, 194, 220, 229, 234

- der Generationszahlen 97 - von supramolekular 59 Degree of Branching 25 Dekomplexierung 215

Dendrimer - Additive 311 - Anordnung 314

214, 252,

- Kern 24, 39, 167, 220, 251, 315 - Konformation 160

Denaturierung 330 Denditischer Effekt 168, 177

- Katalysatoren 308

6, 9, 64,

- Metallkatalysatoren 310 - mit Azobenzen-Gruppen 70 - mit bifunktionalisierter Peripherie 86 - Molekül 22, 24, 38, 73, 74, 98, 100, 167, 176 179, 207,

- Teilstücke 39

- Verzweigungen 204

Dendrimere - als Gastmoleküle 9 - aus Aren- und Mehrfachbindungs-Bausteinen 107 - des Fréchet-Typs 8, 15, 65, 72, 116, 292 - höherer Generationen 24, 94, 162, 256, 277, 307 - mit chiralen Endgruppen 159 - mit chiralen peripheren Einheiten 174, 176 - mit chiralen Spacern 159

359

Sachverzeichnis - mit Chiralität im Kern 162

- Filme 260

- mit Metall in Zweigen 148, 150

- Flügel 169

- Strukturen 18, 30, 80, 148, 159, 162, 242, 294, 296, 297, 307, 323

- Fragmente 264

- mit Metall-Kerneinheit 46, 148

- Strukturen in der Natur 18

- Generationszahl 197

- mit peripherem Metall 148, 149

- Hülle 63, 148, 208, 219, 235, 318

- Substituenten 198, 240, 338

- mit quartären AmmoniumIonen 254, 255

- Hybrid-Architekturen 100

- niedriger Generationen 40, 42

Jacobsen-Katalysatoren 252

164, 166,

- Supramoleküle 222 - Übergangsmetall-Komplexe 47 - Überstruktur 259

- Katalysatoren 182, 241, 242, 248, 250, 251, 253, 254, 257, 309, 311

- Umhüllung 245

Dendriplexe 28

- Katalyse 254

- Verästelungen 19

dendritic box 229

- Kohlenwasserstoffe 8, 105, 322, 348

- Verzweigungen 168, 348

- zweiter und dritter Generation 44

dendritisch

- Komplexe 191, 198

- substituierte Alkaloid-Derivate 167

- Kontrastmittel 324

- verstärkt 326

- Lichtsammel-Systeme 194

- katalysierte Stille-Kupplung 230

- Liganden 46, 244

dendritische

- (Makro-)Moleküle 64 - Materialien 63

- Ummantelung 63, 259

- Wirt/Gast-Systeme 280 - Wirtmoleküle 9, 224 - Zylinder 56 dendritischer - Chiralitätseffekt 177 - Effekt 6, 9, 64, 168, 177, 191, 192, 196, 204, 207, 237, 238, 240, 241, 257, 258, 259, 265, 268

- FeIII-Porphyrine 259

- Micellen 234

- Abschirmung 318

- Moleküle 5, 7, 17, 28, 29, 35, 38, 128, 132, 133, 149, 338, 348

- Gelator 49

- Muster 18

- TADDOL-Ligand 249

- OLED 315, 316

- Transporter 331

- Polyether 126

- Wirt 250

- Äste 299

- Polylysine 102

Dendritisches

- Bausteine 46

- Polymere 10,11, 27, 307, 308, 312 323, 341

- Anode 315 - Antenne 104, 105, 195 - Architekturen 7, 17, 19, 21, 23, 117, 152, 232, 317, 333 - Arme 250

- Benzylbromide 78, 87 167 - Polysilane 133 - BINAP-Liganden 247 - Porphyrine 318, 327

- Katalysator 249, 259, 309

- Netzwerk 151, 152 - Wachstum 257 Dendrizym 244, 246, 268, 310, 317

- Box 176 - Effekte 6, 9, 225, 240, 241, 260, 265 - Effekte in der Katalyse 9, 241 - Einheit 32, 52, 53 - Elektrolyte 199, 200

- Reste 46, 198, 240

- dritter Generation 245

- Schachtel 176, 229

Dendro[2.2]paracyclophane 275

- Schutzhülle 152 - Sulfonimide 57 - Sperrgruppen 9, 234

Dendro[2]catenane 275 Dendro[2]rotaxane 275 Dendrocleft 169, 170

360

Sachverzeichnis

Dendro-Isomere 56, 57

dendron 14, 18

Dendroknoten 164, 165

Dendryl-

Dendron - aus 244

Polyether-Einheiten

Diaminopyridin-Einheiten 225

- Substituenten 29, 30, 165

Diarrhoe 137

- substituierte Viologene 236

Diastereoselektivität 170 Diazoessigsäure-ethylester 310

dendryliert 107

- erster Generation 42 - vierter Generation 42 - zweiter Generation 42, 111 - Anheftung 55

Denpol 55, 92

Dibenzylsulfid-Einheiten 72

dense-

Dibrom-phenylboronsäure 127

- core 24

Dicarba-closo-dodecaboranGruppen 150

- shell 24

- Aufbau 67, 76, 87 - Carboxylate 48 - Größe 251 - Inneres 73 - Strukturen 67

Dentalchemie 312 Depsipeptid-Dendrimere 223

Dichlormethan 99, 201, 228, 236, 244, 259

Dermatitis 319

Dichlormethylsilan 140

desaktiviert 43, 189, 251

DichlorthiophosphorylEinheiten 146

Desaktivierung 187

- substituierte Alkaloide 169 - substituierte 191

- Einheiten 150

Bipyridine

Dichte 25, 56, 287, 293, 306

Desaktivierungs-Mechanismus 243

- Substitution 257

Design 16, 21, 62, 199, 211, 219, 306, 319

- Typ 119

desolvatisiert 282

- Struktur 280 - Modell 24, 25 Dichteprofil

dendronisiert 53, 169

Destabilisierung 180, 244

dendronisierte

Detektion 187, 233, 238, 293, 322, 323, 330

- lineare Polymere 7, 52, 53, 54, 55, 56, 92

dichter-Kern-

- von Dendrimeren 286, 287, 288 dichte-Schale

Detektor 273, 274, 276, 277

- Modell 24

- 4,4’-Bipyridine 223

Deuterierung 286

- Struktur 286, 287

- Farbstoffmoleküle 327

Deuterium-Markierung 286

- Monomere 54 dendronisiertes BINOL 246 Dendronisierung 55 Dendron-Liganden 148 Dendrons - am Polymer-Rückgrat 53, 54 - auf Polymer-Rückgrat 56 - des Fréchet-Typs 116, 148, 165, 198, 257, 292, 311 - höherer Generation 244 Dendrophane 164, 165, 183

285,

Dichteverteilung 211, 281, 288

Dexter-Mechanismus 188

Dicobalthexacarbonyl-Einheiten 141, 150

D-Fructose 324

Dicobalt-octacarbonyl 150

D-Galactose 324

Dielektrizitätskonstante 342

D-Glucose 123, 124, 324

Diels-Alder-

Diagnostik 10, 11, 17, 278, 307, 328, 349 Diamin 12, 49, 93 Diaminobutan - Kern 222 Diaminobutyl- Dendrimere 309

- Cycloaddition 108, 244 - Katalyse 245 - Reaktion 106, 109, 111, 115, 244, 248 Diene 109, 115, 116 Dienophile 109, 115, 116, 244 Diethinylbenzen 115

361

Sachverzeichnis Diethylzink 258, 311

177, 246, 249,

Diffusion 9, 280, 309, 338

dipolare Cycloadditionen 44

- Effekte 57

Dipolmomente 194, 204

- Einheiten 50

direktional 222, 232, 233

- Wechselwirkung 236, 240, 322

Diffusion Ordered Spectroscopy 280

Disiloxan-Verzweigungen 142

Diffusions

Dispersität 7, 25

Donor-Chromophor 194

- koeffizienten 280

Displays 10, 17, 56, 315, 316

- NMR 9, 280, 299

Distanz Donor/Acceptor 188, 189

- prozesse 231

Dihydroxybenzylalkohol 116

41,

Dihydroxybenzylether-Dendrons 218 Diimid- Einheiten 260 - Gruppen 260 Diisobutylaluminiumhydrid 93 Diisocyanatobenzylchlorid 41 Diisopropylethylamin 122 Dimer/Excimer 204 Dimethylamino-1-naphthalensulfonyl 202 Dimethylenoxybenzen-Einheiten 236 Dimethyl-p-terphenyl-Spacer 109 Diol-Verzweigungseinheiten 171 DIPEA 122 Diphenylphospin-Gruppen 251 Diphenylmethan-Einheit 225 Diphenylphosphanyl-Gruppen 309

Di-tert-butylphenyl-Gruppen 107, 238 divergent - aufgebaute Dendrimere 108, 173, 219, 275 divergente

double-stage convergent method 41 Drehwert 161, 163, 164, 171, 172, 173, 176, 248, 295, 297, 298 Drehwerte pro chirale Gruppe 175

- Click-Strategie 44

Drehwinkel 295

- Darstellung 27

drei Generationen 20, 259

- Methode 38, 39, 41, 42, 63

Dreieck 19, 20

- Synthese 7, 13, 15, 38, 39, 40, 44, 47, 63, 87, 92, 93, 116, 133

Dreifachbindung 135

- Synthese an der Festphase 7, 44, 45, 46, 319

dritte dendritische Stopper-Generation 238

- Synthese von PolyamidDendrimeren 46

dritte, vierte und fünfte Generation 129

- Syntheseroute 40

Drücke 274

divergenter Dendrimer-Aufbau 63, 66, 85, 173, 219, 275 divergenter oder konvergenter Aufbau 65, 72, 85, 87, 151 divergentes Wachstum Dendrons 69, 71

von

divergent-repetitiver Syntheseweg 140 DNS

Diphenylsulfid 259

- Chips 11, 330

Diphosphan 213

- Dendrimere 146, 330

Dipol/Dipol-Wechselwirkungen 188, 194

- Hybridisierung 11, 330

dipolar aprotische Solventien 255

doppelt-exponentielle Methode 7, 42, 43 DOSY 280

Disulfide 309

Dihydroxybenzoesäure 281

Doppelstrang 330

108, 115,

dritte Generation 114, 244

Druckerfarben 10, 312 drug - release 16 - targeting 16 - carrier 288 - delivery 270, 330 Dunkeltoxizität 331, 333, 337 Dünnschicht-Chromatographie 272 Durchfädeln 237

Donor 189, 194, 200, 206, 223

Durchmesser 56, 93, 99, 230, 241, 262, 291, 331, 338

Donor/Acceptor-

dya 264

362

Sachverzeichnis

Dyaden 264 Dynamik 281

dendritischer

Äste

dynamisch 228, 231, 348 dynamische - Prozesse 231, 281 dynamisches Gleichgewicht 177, 297, 320

E -> Z- und Z -> E-Photoisomerisierung 227

- von 229

Farbstoffmolekülen

Einschluss - von Eosin-Gastmolekülen 228

- Protein 318 - Reaktion 227 - System 327 Elektronen-transportierende Materialien 315

- von Gästen 9, 16, 220, 224, 231, 240

Elektronenübergang 264

- von Molekülen in Dendrimere 314

Elektronen-ziehende Substituenten 214

Einteilung dendritischer Moleküle 7, 27

Elektronik 5, 10, 315 Elektronische

Eintopfsynthese 41

- Abschirmung 257

E- und Z-Isomere 205

Einzelmoleküle 289, 291

- Anregung 202

E/Z - Photoisomerisierung 204

Eisen(II)-Ionen 152

- Energie-Niveaux 190

E/Z-Isomerisierung 114, 337

Eisen-Porphyrine 263, 318

- Nase 322

E/Z-Photoreaktion 205

E-Isomer 114, 204, 228

E-Dendrimer 228

E-Konformer 207, 338

- und vibronische Energieniveaux 186

Edukte 25, 38, 51, 54, 341

elastische Streuung 292

Elektrophile 73, 133

ee 246, 248, 249, 250, 252, 258

Electron Impact 281

Elektrophore 70

Electrospray Ionization 281

Elektrophorese-Techniken 271

elektrisch leitende Filme 260

elektrophoretische

effektive Abschirmung 309 Effizienz - des Energietransfers 189, 194, 196 E-Form - des Azobenzen-Dendrimers 227 EGF 337 EI 281 Eichprobleme 274 Eigendiffusions-Koeffizient 280

elektroaktiv 198, 318

- Mobilität 277, 278

elektrochemisch

- Trennmethoden 271, 278

elektrochemische Eigenschaften 9, 147, 260, 263, 264, 265

- Trennung von Dendrimeren 278

Elektrolumineszenz 185

Elektrospray-Ionisierungs-MS 92

Elektrolyte 199, 200

Elektrospray-Methode 320

Elektronen

elektrostatisch 229, 235

- Acceptor 126, 206

elektrostatische

- austausch 188

- Anziehung 262

eingefroren 176

- Donor 206

- Assoziation 199

eingehüllt 220, 263

- Donor/Acceptor-Wechselwirkungen 322

- Wechselwirkungen 200, 250, 313

Einkapselung 229, 314

126,

- mikroskopie 10, 285, 292, 293, 299

Elementaranalyse 144, 298

Einkristalle 284, 285 Einkristall-Röntgenstrukturanalyse 284

- reiche Alkene 251

Eluent 271, 272

- transport 261, 326

Elutionsvolumen 276

Einlagerung

Elektronentransfer

Eluat 276

363

Sachverzeichnis Emission 104, 185, 186, 187, 188, 226 Emissions- Ausläufer 204 - bande 205 - effizienz 316 - intensität 202 - maxima 186 Enantiomer 167, 168, 169, 171, 172, 180, 275 enantiomere

endodendral 307, 308 endo-lipophil 234 Endorezeptor 331 endo-Selektivität 249 endständige - Alkin-Gruppen 146 - Chlor-Substituenten 141 - Lysin-Einheiten 112 - Monomer-Einheiten 25 Energie-

- Dendrimere 275

- Acceptor 188, 199

- Gäste 180, 298

- barriere für Isomerisierung 206

enantiomerenrein 172

- Donor 188

- Gruppen 257, 258, 310 epidermaler Wachstumsfaktor 337 Epoxidations-Reaktionen 251 Epoxide 66 Epoxidierung 44, 29, 309 - von Olefinen 259 EPR-Effekt 331 Epstein-Barr-Viren 330 Er 49 Erbium(III) 148 Erkennungs- dömänen 50, 51 - einheiten 50

Enantiomeren-Überschuss 180, 246, 249, 258, 310

- gradient 80, 82, 107

erste Generation 19, 97, 124

enantioselektiv 169

- niveau 186, 192, 325, 326

Erythrozyten-Schatten 334

enantioselektive

- transfer 194, 196, 197, 199, 208, 226, 227, 333

Escherichia coli-Bakterien 137 ESI 281, 282, 284

- Addition von Diethylzink 177

- transfer-Dynamik 196

- Erkennung 170, 171

- transfer-Gradienten 147

- FT-ICR-Massenspektrum 283

- Erkennung von Monosacchariden 170

- transfer-Prozess 47

- Ionisation 282

- trichter 196, 197

- Massenspektren 282, 284

- Katalyse 10, 310 enantioselektiver

- übertragung 194, 199, 282 energy funnel 196

- Massenspektrometer 282 - MS 299

279, 282, 284, 298,

- Ligand 246

Entkernen 340, 341

- Rezeptor 169

Entropieverlust 53

- Rezeptor für Monosaccharide 170

Entschützung 42, 43, 78, 121, 127

- Sensor 298

entzündungshemmend 331

ET 81, 190, 326

Enzym

Ethen 6, 309

Enantioselektivität 64, 220, 42, 248, 310, 311 end 31, 32 Endgeneration 109 Endgruppen - Bestimmung 27

ESR 260 Ester 14, 99, 321 E-Stilben 96

- kinetik 255

Ethin-Gruppen 108

- Mimetika 162

ethinyliertes Cylopentadienon 109

- ähnliche Aktivität 317 Eosin 192, 227

- Funktionalisierung 66, 85

Eosin als Gast 192, 193, 205, 228

- Reagenzien 66

Ephedrin

Ethylendiamin 14, 99, 100 Ethylendimethacrylat 217 Eu 49 Europium(III) 149

364

Sachverzeichnis

Evolution 18 Excimer 114, 187, 188, 201, 202, 204, 235 Exciplex 188, 201, 204

fehlerhaftes Dendrimer-Wachstum 26, 277 Fehlstellungen im DendrimerGerüst 99 III

Fe -Porphyrine 259

- Bildung 202

Felddesorptions-MS 281

- Entstehung 202

Flexibilität - dendritischer Äste 284 - der Dendrons 162 flexible - Arme 107

Ferrocen

excited 188

Flash-Chromatographie 272

- Dendrimere 262

- Dendrimere 20, 24, 25, 73, 134, 265, 286, 287, 288, 292

Exciton-Couplet 296

- Einheit 97, 147, 149, 150, 216, 235, 262

- Polymere 309

exodendral 307, 308

- Endgruppen 262

- und starre Systeme 258

exodendrale und endodendrale Fixierung 307, 308

- Gruppen 173, 262

flexible Benzylether 202

- Kern 235, 236

Fließeigenschaften 312

- dimer 187

Exorezeptor 331

- substituierte 214

Exponent 23, 31 externe Reize 181 Extinktions-Koeffizient 196, 206

168,

ex-vivo-Variante 332

FAB-Massenspektrometrie 281, 282, 298, 299 Falschfarbendarstellung 289 Faltung 202, 298 Familienname 15, 28, 92 Farb- abstimmung 316 - codierung 38 - druck 311 - stoff 10, 82, 98, 227, 229, 232, 234, 314 - stoff-tragende Dendrimere 194 - wechsel 205, 206, 207, 316 Färberdistel 322 fast perfekte Strukturen 27 FD 281 FDA 334 fehlerhafte Dendrimere 39

tert-Amine

von

Fließverhalten 312

Ferrocenyldiphosphin 149

Fluorbenzen 322

Ferrocenyl-Gast 235

Fluorescein 313, 331

Ferrocenyl-Gruppen 67

fluoreszent 196, 323

feste Phase 122

fluoreszente

Festkörper-NMR 288

279, 287,

- Dansyl-Einheiten 232 - Dendrimere 190, 191, 192

Festphase 45, 46

- Gäste 104, 191, 192

Festphasen-

- Sonde 232, 235

- Kügelchen 45 - Synthese 45, 46, 319 Fettsäure 233, 234

Blut

- Wirte 104 fluoreszenter Kern 194 Fluoreszenz

Feuchtigkeit 260

- Ausbeute 187

FG 68, 69, 308

- Bande 204

F-Gruppen 51

- der Dansyl-Einheiten 232

Filme 250, 260

- des Eosins 227

Filtration 45, 248

- Emission 189, 199

Fk 21, 26, 25

- Eigenschaften 196

FK2-oder FK3-Monomere 43 FK4 43

- Intensität 234, 235

196, 204, 232,

FK4-Synthesebausteine 43

- Label 73

FKn-Monomer 51, 52

- Löschung 198, 321, 325

Flachbett-Plattengel-Elektrophorese 278

- Marker 330 - markiert 330

365

Sachverzeichnis

- Dendron zweiter Generation 18

-Messungen 237

Folienoberfläche 312

- Mikroskopie 232

Folsäure 331

- resonanz 189

Food & Drug Administration 334

- Dendrons 38, 42, 116, 162, 164, 202, 247, 257, 292, 311, 339

Formamid 260

- Stopper 238, 239

Formelzeichnungen 109

- Typ Dendrons 67, 73, 116, 148, 165, 198, 201, 207, 236

- Sensor 170, 171 - Sonde 235 - Spektroskopie 187, 271

Form-

- Spektrum 114, 186

- Wellenlänge 192 fluoreszierend 80, 190, 191, 192, 202, 313, 325, 327 Fluoroionophor 325, 326 Fluorophor 326, 327

185, 190, 325,

- selektiv 308

- der Gäste 221

- selektive Katalyse 250, 254

- von Wirkstoffen 288, 314, 331

- stabil 308

Frontier Scientific Inc. 158

- stabile Dendrimere 112, 284, 285

107,

- Dendrimere 195, 196

- steifigkeit 222, 258

- Gruppe 327

Formyl-

Flüsse 18 9,

Flüssigkeits-Chromatographie 275 Flüssigkeitssensoren 323 Flüssigkristall-Displays 56 Flüssigkristalle 316 flüssigkristalline - Dendrimere 10, 291, 316, 317

- Gruppen 146

- Gruppierungen 264

- naphthalen 246

- Kern 196 fünfte Generation 260, 311

Förster- Mechanismus 194, 227

188, 189,

Fourier-Transform Ion Cyclotron Resonance 284 Fragmentierungen 282

- Gruppen 70 - Materialien 132, 316

fraktal 18

- Phasen 112, 113, 316

Fraktale 18, 30

240,

Flussraten 274

fraktale Strukturen 19, 21

Flyer 17

Fraktionen 275, 277

F-NMR-Spektren 279

Frank-Condon-Zustand 196

innere Modifizierung 71

Frankfurt 16, 17

fokaler Punkt 39, 42, 48, 67, 80, 107, 112, 121, 148, 194, 196, 207, 219, 265, 307, 311

Fréchet-

Folien 312

97, 134,

Funktion von Proteinen 181 funktional 62

- Radius 189

Fragmentierungsmuster 282, 298

Folgegeneration 33, 142

FT-ICR 284 Fulleren

- stabilität 306

fluorophore Gruppen 204

Flüssigchromatographie 271, 272

Freisetzung

- resistent 292

- Verstärkung 327

- Amphiphile 119 - Dendrimere 8, 17, 72, 116, 162, 164

funktionale - Bestandteile 70, 72 - Dendrimere 8, 62, 64 68, 70, 72, 78, 85 - Einheiten 8, 65, 67, 70, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 82, 84, 87 - Gruppen 62 - Kerneinheit 63, 85, 87, 141 - (Makro-)Moleküle 62 - Materialien 181 - Peripherie 8, 64 - periphere Gruppen 64 Funktionaler - Gast 79 - Kern 8, 62

366

Sachverzeichnis - an der Peripherie 109

funktionalisiert 48, 196, 251, 262, 307, 309, 311, 313, 319

- einheiten 79

- molekül 9, 22, 28, 112, 205, 220, 222, 225, 226, 228, 229, 231, 234, 241, 280, 298, 313, 314, 322, 324, 340

funktionalisierte

- potential 341

- spezies 16

- schichten 323

- substanz 338, 339

funktionales Dendrimer-Gerüst 62, 73

- Dendrimere 39, 65, 206, 207, 241, 265, 307, 309

Funktions-

Funktions-tragende

- Dendrons 88, 148

- Einheit 62, 65, 67, 79

- lineare Polymere 53

- Kerneinheit 62

- Molekülperipherie 83, 87, 331

Fv 21, 26

funktionalisiertes Polymer 53 Funktionalisierung

Gauß-Potential 284 Gd 328

- der Peripherie 65

G1-Dendron 40, 238

- des Dendrimer-Inneren 68

G2 30, 95, 98, 114, 117, 118, 132, 163, 167, 195, 203, 238, 239, 240, 242, 244, 245, 252, 259, 261, 325, 326

- von peripherem NH2 66 - von POPAM 96 Funktionalisierungsreaktion 66 Funktionalität - der Verzweigungseinheit 21, 26 - des Kerns 21, 26 Funktionalität F 38, 42 Funktionelle - Gruppen 20, 28, 38, 73, 122, 125, 135, 194, 278, 298, 308 - Endgruppen 312, 334 - Gruppen im Inneren des Dendrimer-Gerüsts 298 Funktionen

Gäste

G0 163, 167, 195, 242, 245, 248, 29, 259

- der Endgruppen 65, 66, 76, 87

- von dendritischen Molekülen 66, 92

- verbindung 191, 241, 320, 321, 339

G 21, 26, 29

G1 21, 30, 95, 98, 117, 132, 163, 167, 195, 238, 240, 241, 245, 258, 325

- des inneren Gerüsts 68, 73, 90

- system 96

- in Dendrimeren 231

- Sulfonylchloride 87 - Verzweigungseinheit 68

205, 265, 306,

Gd(III) 328 Geckos 18 gehinderte 251

Doppelbindungen

gehinderte Rotation um die Amid-Bindung 99 Gehirntumore 337

G2-Dendrons 21, 70, 250

gekreuzte 214

G2-Katalysator 257, 258

Gel 274, 277, 278, 338

G3 21, 93, 95, 98, 167, 203, 238, 240, 244, 252

Gelator 49, 146, 349

G3-Ligand 248

Olefin-Metathese

Gel-Bildung 336

G4 21, 70, 203, 249, 340

Gel-Elektrophorese 278

G5-Dendrimermoleküle 211

Gelieren 146

Gadolinium-

gelöscht 94, 171, 191, 195, 219, 236

- Ionen 329 - Komplex 329 Gadomer 328, 329 Galabiose 136, 324 Gaschromatographie 273 gasförmige Analyte 322 Gast - aufnahme 22, 38, 205, 307 - einschluss 229, 231

9, 277,

Gelpermeations-Chromatographie 9, 275, 279 Gelphase 46 Generation - der Dendrimere 242 - der Dendrons 56, 244 - G2 239, 261 - eins bis fünf 260 - G2-G4 203

367

Sachverzeichnis - mit Verzweigungsbausteinen 29

Geschwindigkeitskonstante 244, 255, 256

- spezifische Reaktion 73

Gestalt des Dendrimers 100, 284

- vergleich 97 Generations- abhängig 268

66, 207, 241,

- Nanopartikel 293 - Oberflächen 140, 291 64,

GPC

Gewebe-Züchtung 11, 335

- Molmasse 276, 277

Ghosts 334

- Säule 276

Gipsabdruck 217

Gradienten 196, 261, 340

- abhängige Multiplizität 66

Glanz 312

Gradientensäule 272

- grad 21, 22, 24, 38, 42, 94, 113, 134, 196, 223, 235, 236, 237, 240, 243, 262

Glas 289, 291

Graft-from-Methode 52, 53

Glasartige Flüssigkristalle 316

Graft–to-Methode 52, 53

- spezifisch 71

Glasoberfläche 313, 330

Graphit

- stufe 66, 173

gleichmassige Moleküle 27

- wachstum 92, 241

gleichseitiges Dreieck 19

- zahl 30, 70, 93, 97, 99, 114, 163, 168, 171, 191, 197, 226, 240, 241, 242, 244, 265, 297, 307, 348

Glimmer 289, 291

Genisphere® 330 Gen-

Grenz- faktoren 14 - flächen 5

- oberfläche 291 global bifunktionalisierte Peripherie 86

- generation 23, 26, 93, 99, 109, 116

globuläre Gestalt 23, 24

- viskosität 22

- taxi 332

Glucopyranosyl-Reste 236

- therapie 11, 332

Glucosamin-

- transfer 332, 333

- Oberfläche 291, 292

235,

- Reagenz 134 - Kupplung 144

- Dendrimer 335, 336

gepuffert 229

Grignard

- Verbindung 144

- 6-sulfat-Reste 335

Grippevirus 319

gequencht 171, 191

Glühwürmchen 128

große Dendrons 246

Gerüst 196, 222, 232, 252, 331, 334

Glycinylharnstoff-Gastmoleküle 222

Größe

Gerüsteinheiten 31, 32

Glycocluster 319

Gesamtdrehwert 173, 297 geschaltet 205, 314, 338

Glycodendrimer 44, 121, 319, 320

geschützt 39, 43, 76, 262,

Glycomimetika 10, 319

geschützte

Glycopeptid-Dendrimer 122, 123

- Funktionalität 38, 84 - funktionelle Gruppen 40

- der Dendrons 244, 251

- des Hohlraums 237 46,

Glycoprotein-Rezeptor 335 38,

- Kohlensäure-allylester 121 - Kupplungsstellen 38, 39 geschützter Hyperkern 117 geschweifte Klammer 31, 32

- des Dendrimers 251, 264, 291

glycosidisches CarbosilanDendrimer 136

Größenausschluss-Chromatographie 264, 275 Größenbestimmung 280, 286 größere Dendrimere 163, 260 größere Dendrons 53, 249

Glykolsäure 335

Grubbs-Katalysator 215, 218

Gold

Grundzustand 186, 187, 188, 256, 333

- bedampft 320

grüne Chemie 230

368

Sachverzeichnis homogene

heteroleptisch 151, 192

Gyrationsradius Rg 285

- Katalysatoren 249

Hexaazatriphenylen 292 ¯

- Katalyse 64, 252, 309

H2PO4 262

Hexamethylbenzen 215

Haar-Enden 18

hierarchische Selbstanordnung 49

Hafnocen 309

homoleptisch 192 Homopolymer 180

Haftung 312

High-performance liquid chromatography 273

homotritop 223

halbe Generationen 14

Historie 8, 12, 16

HOPG 289

Halogen-Arene 230

historisch 35, 39

hopping 194

Häm 259, 318

HIV-Infektionen 330, 335

Hoveyda-Katalysator 214

Hamilton- Dendrimere 226

H-NMR-Spektroskopie 279

- Rezeptor 223, 225, 226

H-NMR-Titrationen 237

HSO4¯ 262

- Wirt 225, 227

hochfluoreszent 94

Hüpfprozesse 194

Hochleistungs-FlüssigkeitsChromatographie 277

Hybrid-Architekturen 100

Hämolytische Urämie 137

hochmolekulare Chemie 27

Hybrid-Dendrimer 153

Häm-Proteine 259

Hochvakuum 292

Hybridisierung 11, 330

hantelförmige 136, 146

hochverzweigte

hydratisiert 256

Häm-Monooxygenase 259

258,

Dendrimere

Harnstoff- Derivate 66 - Endgruppen 284 HATU 122, 123

Hydrierung 12, 101, 117, 247

- Makromoleküle 227

hydrodynamisches 275, 277

- Moleküle 14

- Polymere 5, 145, 342

helikale Konformationen 181 helikaler Chiralitäts-Sinn 180 Helix 180, 305 Hemagglutinin 319, 320 Henry-Reaktion 257 Heptanal 322 Heteroatome 29, 132, 141, 145, 191, 279, 282, 299, 300 Heterocyclen 44

100, 111,

Hydrazin-Dendrimer 339

Heck-Kupplung 54, 150, 309

helikale Strukturen 296

- Anlage 274

- dendritische Polymere 312

Hebelarm 290, 291

helikal 177, 179, 180, 181

HPLC

- Dendrimere 51

- Polyester 342

- Reaktion 251

225,

342, 312, 323,

hydrodynamischer Radius 280 Hydrogele 146 Hydrolyse

- Verbindungen 15 höhere Generationen 300, 348

Volumen

- Stabilität 99 299,

Hohlraum 218, 237, 339 - des ȕ-Cyclodextrins 236 - größe 311 HOMO 325, 326 homo- und heteroleptisch 192 Homoallylether-Funktion 218

hydrophil 229 hydrophile - Dendrimere 323 - Dendrons 219 - Eigenschaften 223 - Endgruppen 311 - Gastmoleküle 234

Homoallyl-Gruppierung 218

- oder hydrophobe Wechselwirkungen 231

homogen funktionalisierte Dendrimere 67

- Schale 232

369

Sachverzeichnis Hydrophilie/Lipophilie-Balance 306, 307 hydrophob 126, 229, 256, 311, 331, 341 hydrophobe

- Polyester 66 - Polyisocyanate 312 - Polymere 7, 17, 23, 25, 47, 51, 92, 127

induzierter Circulardichroismus 169, 176 inert 41, 219, 220, 308 Infektion 274, 276, 328, 337

- Polyphenylene 127

Infrarot-Emission 104

- Silizium-basierte Polymere 143

Infrarot-Licht 207

- Areale 235 - Oberfläche 232

- Siloxane 143

- Verbindungen 334

- Verbindungen 27, 37, 51, 115, 127, 144, 312

- Adamantyl-Gruppen 313

- Wechselwirkungen 231, 250

217,

ID 25

hydrophober Kern 232

ideales Dendrimer 24

Hydrosilylierung 134, 136, 138, 140, 144, 215

IDS-2 16, 17

Hydroxybenzaldehyd

Imidazol-Koordinationsstelle 259

Imin 92

Hydroxyethyl-Glycoside 137 Hydroxymethyldiphenylphosphin 66 Hydroxy-terminierte mere 78

IL 25

Imidazol-Liganden 259

- Derivate 66

Dendri-

Imino-Gruppe 92 Immunogenität 317, 332 Immuno-Modulator 335 Immunsystem 335

Hydroxyterpyridin 140

Implantate 335

hyperbranched polymers 51

imprints 217

hypercore 52

in situ 41, 66, 247

Hyper-

in vitro 320, 337

- kern 42, 117, 118, 232

innere - Allyloxy-Gruppen 69 - funktionale Einheiten 87

hydrophober Effekt 234, 235

Hydrosilylierungs-Reagenz 134, 140

Inhibitor 136, 320

in vivo 142, 320

- monomer 43

- Stabilität 329

- monomer-Methode 7, 43

- Verfahren 332

- Funktionalisierung Dendrimeren 72, 77

von

- funktionelle Gruppe 70 - Ketogruppen 73 - Oberfläche 98 - Schalen 62, 68 Inneres des Dendrimer-Gerüsts 69, 72, 73, 104, 112, 162 innere Funktionalitäten - Dendrimer-Gerüst 75 Interaktion 190, 248, 258 Interkombinations-Vorgänge 187 intermittierender dus 291,292

Kontaktmo-

intermolekulare - Quervernetzung 211, 219 - Wechselwirkungen 260, 278, 280, 285, 288

64,

International Union of Pure and Applied Chemistry 37

- Carbosiloxane 144

inaktive funktionelle Gruppe 40

Internationale DendrimerSymposien 5, 16, 17

- dendritische Polymere 27, 52

Index 22, 29, 31, 32, 33, 76, 277

Inter-System-Crossing 187

- Polyarene 115

Indium-Zinnoxid 315

Intradendrimer-Löscheffekte 104

- Polybenzene 115

Indometacin 233

intramolekulare

- Polycarbosilane 144

induziert 163, 164, 168, 169, 298, 262

hyperverzweigte

- Bindungsbildung 73 - Hohlräume 98

370

Sachverzeichnis Isomere 44, 56, 57, 58, 204, 205, 227

- Nischen 232 - Vernetzung 211 - Wechselwirkungen 73, 79, 298

isomere Dendrimere 112

intrinsische Viskosität 22, 23

- Ionen-selektiv 327 - Konzentration 327

- zur Z-Form 114, 204

Kamm-Polymere 52

Isomerisierungs-Geschwindigkeit 205

- von Dendrimeren 23 Inversions-fähig 180

- Chemosensoren 327 - Ionen 137

Isomerie-Möglichkeiten 56 Isomerisierung

intrasupramolekular 227

Kalium

Kaninchen 329, 336 Kapillare 278

Iodbenzoat katalysiert 255

Isopropyliden-geschützte Carbonsäure 122

Iodid-Ionen 256

Isoproxy-Substituent 214

Kapillargel-Eektrophorese 278

Iodosylbenzen 251, 259

Isothiocyanate 66, 73

Käsesorten 321

Iodundecan 215

Isotope 285, 336, 337

kaskadenartig 13, 14

Ionenpaare 234

Isotopen-Zusammensetzung 286

Kaskaden

Ionenrekombination 8 Ionisationsenergie 281

IT 25

Ionisationsmethode 283, 284

Iteration 14, 19, 103, 109, 114, 142, 279

10, 281,

- der Synthesesequenz 42, 146

Ionische Dendrimere 8 ionische

- Gerüst 232, 233

12,

- Dendrimer-Synthese 72

- Peripherie 231

- Synthesen 35

- Porphyrin-Dendrimer 200

- Synthesesequenz 39, 122

- Selbstorganisation 223

- Variante 35 217,

- Zentren 251, 192 Ionisierung 92, 282

irreversibel 229

- Nischen 244 - Rückgewinnung 64 - Stabilität 252 - Träger 14

iterativer Aufbau 66, 67

- Zugabe 144

IUPAC 28, 30, 33 - Nomenklaturregeln 28, 30

- /Dienophil-Komplex 244 Katalyse - Diels-Alder 245

J- Kopplung 278 Jacobsen-Katalysator 252, 269

169,

irreversibler Einschluss 314 IR-Spektroskopie 300

Katalysator - Aktivität 309

- Synthesemethode 27

Ionophor 79, 325, 326, 327 Iptycene 106

- Synthese 12, 14, 281

- Verbindung 232

iterative

- Dendrimere 115, 125, 147, 340

- Wechselwirkungen 222, 223

- Prozesse 68

- Theorie 14

iterativ 93, 94, 100, 124

- und reversible Wechselwirkungen 48

- moleküle 10, 12, 13, 17, 27, 28, 35, 232

- mit Dendrimeren 265 - mit Metallen 254 - von und mit Proteinen 181

Isocyanate 66

K 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 51, 52

Isolierschichten 342

Kalibrierfunktion 276

- Zentrum 64, 308 katalytisch - aktive Einheit 64, 67, 70, 174, 176, 307, 308

371

Sachverzeichnis - aktive Nanopartikel 234 - aktive Gruppen 177 - aktives Zentrum 251 - wirksames Zentrum 307

246,

katalytische - Aktivität 230, 242, 243, 246, 250, 251, 257

Kerneinheit 7, 20, 21, 30, 31, 39, 41, 46, 49, 50, 51, 63, 64, 67, 74, 83, 85, 86, 87, 97, 108, 109, 117, 121, 122, 123, 129, 136, 137, 145, 147, 148, 149, 151, 160, 162, 163, 164, 165, 169, 194, 215, 223, 224, 236, 244, 257, 337 Kernladung 261, 262

- Hydrierung 117

Kernresonanzsignal 328

- Kerneinheit 244

Kern-Schale-Architektur 340

- Zentren 245, 246, 248, 249, 251, 308 Kationen

Keto-Gruppen im Dendrimer 73

- ende 54

- Dendrimere 129

Kation-selektive Sensoren 328

- Konzept 38

- Symbolik 39

kDA 121, 310, 329 kegelförmige Seitenketten 54 Kern 8, 21, 22, 24, 25, 29, 32, 33, 39, 47, 63, 68, 74, 80, 82, 83, 87, 97, 107, 122, 25, 145, 146, 147, 159, 162, 164, 167, 194, 171, 211, 223, 224, 240, 249, 261, 307, 308, 316, 348 Kern des Dendrimers 25, 307, 308 Kernbaustein 29, 38, 40, 142, 169, 223, 249 163,

- Kern 137 - Kerneinheiten 123 - terminierte 122, 123

Dendrimere

- ummantelte 121

Dendrimere

Kombinationsmöglichkeit 69

- Schema 43

kc-Werte 255, 256

- Dendrons 235, 236

Kohlenwasserstoff-Dendrimere 107

KFS-

- Substituenten 260

- Dendrimere 121, 123

Kohlenstoff-/Sauerstoff-basierte Dendrimere 8, 116

- länge 32

- Hülle 146

- Arme 232

Kohlenhydrate 121, 160, 235

- glied 33

- Gäste 237

kernchirale Dendrimere 169

Keto/Enol-Gleichgewicht 59

Ketten

kationische

Knäuelstruktur 53, 55

- Einheiten 122

Ketene 308

Ketone 321

- Rezeptor 325

KǜMĮ 23

- basierter Wirt 235 331,

Kernstrahlung 185

- Wechselwirkungen 308

klinische Prüfungen 334

Kohlenhydrat

Kern-Overhauser-Effekt 279

- Reaktivität 244

klinische Phase 334, 335

Knotane 275

Kernmultiplizität 29

- Einheiten 252, 253, 307

- Oxidation 142

Kleinwinkelstreuung 10, 284, 285, 286, 299, 300

kombinatorisch 44, 76, 171 kombinatorische Synthese 76

K-Gruppen 51 Kharasch-Addition 242, 308 kick-line 180 - Analogie 178, 179

kommerziell 17, 38, 39, 46, 65, 66, 72, 78, 92, 121, 143, 252, 276, 286, 329, 330, 348 kompakte Dendrimere 133

Kieselgel 271, 272, 275

komplementär 320

Kinetik 231

komplementäre

der

Komplexierung

50, 217, 234,

Klammern 30, 31, 32, 237

- Bindungsstellen 50

Klammerterm 31

- Erkennungsdömäne 51

Klebstoffe 10, 311 Kleinwinkelstreu-Techniken 285, 286

- Kupplungsfunktionen 41 Komplexierung

372

Sachverzeichnis

- eines Metall-Kations 148

46,

- mit PtCl2 140

Kontrast - mittel 17, 146, 328, 329 - variation 286

Komplexierungsverhalten 126 Komplex- ligand-Charakter 46 - liganden 59, 149, 308 - stabilitäts-Konstante 59 Komponenten 46, 187, 188, 232, 244, 271, 272, 273, 285, 311, 312, 321, 325, 335

- variationstechnik 286

kooperative Effekte 68, 73, 254 Koordinations-chemisch 46, 147, 151

Koordinations-chemische Synthese 7, 46

Kontrastierung 293, 294, 299

Koordinationspolymer 340

kontrolliert 50, 73, 74, 205, 219, 270, 288, 289, 311, 314, 341

Koordinationsstellen 151, 259, 326

konvergent

Koordinative 148

Komplexierung

- aufgebaute Dendrimere/Dendrons 66

Kopplung zweier 75, 86, 279

Aren-Bauteile

- aufgebaute Molekülgerüste 65

Kopplungsstelle 78

Konfiguration 179, 205, 296, 338, 339

- aufgebaute Poly(benzylether)-Dendrimere 67, 72

Konformation 56, 108, 112, 135, 160, 167, 169, 177, 226, 280, 284, 289, 297

- synthetisierte Dendrimere 162

Kondensierte 106

22,

konvergente

konformationelle Kooperativität 179

- Aufbaustrategie 42

Konformations-

- Konzepte 112

Dendrons

Korallen 18 Körnung 275 korrekt dendritisch verzweigte Moleküle 27 korrekte reguläre Verzweigung 27 korrelierte Bewegung 177, 181 kovalente

- und pH-Kontrolle 206

- Kupplung 121

- Änderung 339

- Methode 62

- Bindungsknüpfung im Dendrimer-Inneren 220

- Freiheit 177

- oder divergente Synthese 87

- Verknüpfung von DendronUntereinheiten 73

- Information 178 konformative

- Route (Synthese) 7, 39, 40, 63, 67, 74, 117, 135, 219

kovalentes - Anknüpfen 219, 220, 229

- Anordnung 164, 172, 297

- Selbstorganisation 63

- Beweglichkeit 178, 306

- Synthese 7, 39, 40, 41, 42

- Flexibilität 229, 332

- Synthesestrategie 16, 39, 40, 63, 69, 74, 117, 135, 219

Kraftfeld-Mikroskopie 289, 291

- Flexibilität/Rigidität 21, 22

- und divergente Methode 41

Kragenbildung 213

- Gleichgewichte 161, 297, 298

- Zweistufen-Synthese 69

Krakenmolekül 12, 13

- Ordnung 297, 298

64, 98, 211,

161, 162, 163,

- und konfigurative Effekte 179

konvergenter

- Binden 235 - Templat 218

Kratzfestigkeit 312

- Aufbau 15

Krebs 332

- Dendrimer-Aufbau 65, 67, 85, 71

Krebstherapeutika 330

Konformere 114, 166, 297

- Dendron-Aufbau 76

Konstitutions-Isomere 56

- Weg 68

Kontaktmodus 290, 291, 292

- Zugang 129

kristallisieren 18, 24, 57, 284 Kristallstrukturen 112, 303 kritische Löslichkeitstemperatur 250

373

Sachverzeichnis Lambert-Beersches Gesetz 206

- energie 190, 192, 193, 333

- Einheiten 97, 137, 327

langkettige Alkene 215

- gesteuert 228

- funktionalisierte Carbosilan-Dendrimere 138

Langzeitstabilität 322

Kronenether

Kryptochiralität 166 kugelförmig 100, 309, 332 kugelförmige dendritische Silane 133

Lanthanid-

- quanten 185, 187, 207 Licht-sammelnde

- Ion 48, 49, 104, 148

- Antenne 81, 194, 195, 327

- Triacetate 48

- dendritische Systeme 195

Laser 187, 291

- Eigenschaften 196 Lichtsammel-System 147, 193, 194

kugelige Molekülgestalt 195

- induzierte Fluoreszenz 187

kugeliger Aufbau 311

- reflektion 290, 291

künstliche Enzyme 317

- strahl 281

Lichtsammel-Effekt 196

künstliches Protein 317

- technik 187

Lichtstreudetektor 277

Kunststoffe 10, 312, 316

L-Asparaginsäure 310

Lichtwellenlänge 316

Kunststoff-Zahnfüllungen 312

LC 114, 272, 274

LIF 187

Kupfer(I)-Kerneinheit 148

LCST 250

Liganden

Kupfer(II)-Katalysator 244

Lebensdauer 186

Kupplung 39, 40, 41, 45, 121, 122, 126, 127, 132, 151, 230, 232, 319 Kupplungs-

- des ladungsgetrennten Zustands 264, 237 - des photoangeregten Zustands 197, 191, 198

- Austauschreaktion 48 Ligand- Gerüst 46 - zentren 242 light harvesting 188, 193

- gruppen 43

LED 115, 315

- produkt 41

Leiterbahnen 342

- antenna 80

- reagenzien 122

Leitfähigkeit 260

- effect 196

- schritte 63, 67

Lektin 319

- stellen 38, 39, 40, 42, 54

Leopoldina 5 Lewis-

Kurkuma 322 kurzräumige 188

Wechselwirkung

- Aktivität 246 - Säure 246 Licht-

21, 147,

linear polarisiertes Licht 294, 296, 305 lineare - Makromoleküle 307 - Monomer-Einheiten 25 - Polybenzene 115

- Anregung 204

- Polymere 7, 23, 24, 51, 52, 54, 55, 56, 92, 100, 277

- emission 315

- Polyphenylene 115

- emittierend 197

- Präpolymere 312

- lager 262

- emittierende Dioden 115, 315

- Sequenzen 44, 51

- transport 315

- emittierende Schicht 315

- trennungs-Prozesse 264 - trennungszustand 264

- emittierender DendrimerKern 315

- trichter 262

- empfindliche Linker 45

Lacke 6, 10, 312, 349 ladungsgetrennter 264, 327

Zustand

Ladungs-

Linker 44, 45 Links/Rechtsschraube 178 Links/rechts circular polarisiertes Licht 294, 295, 305

374

Sachverzeichnis Löslichkeit 21, 22, 38, 62, 64, 67, 107, 112, 121, 129, 234, 307, 348

lipophil 146, 235 lipophile - Adamantyl-Reste 234 - Dendrimere 311

Löslichkeitseigenschaften Dendrons 73

- Gäste 311

Lösungsmittel - moleküle 298

- Lösungsmittel 108 - terminale Alkylketten 75

Liposom 323, 324, 334 liquid chromatography 273

272,

Literaturzitate 5

13, 112, 159,

- Moleküle 319

des M 13, 23, 308, 318

255, 278, 284,

Magnesium 251

als

Zentral-Ion

Magnetfeld 278

- qualität 288

- Umgebung 232

- Einheiten 317, 329

Lösungsverhalten 24

Magnetresonanz-Imaging 102, 328

Lower Critical Solubility Temperature 250

Majorals Dendrimere 220

L-Phenylalanin-Einheiten 176

Majoritäts-Regeln 181

Luciferase

11,

179, 180,

Makrocyclischer Hamilton-Rezeptor 225

Literaturverzeichnis 7, 8, 35, 57, 88, 153, 181, 209, 266, 343

Luft/Wasser-Oberfläche 126

Lithiierung 242

Luftfeuchte 260

Lithiumaluminiumhydrid 141, 144

Luftsauerstoff 191

Makromoleküle 88, 109, 162, 276, 277, 281, 307, 321

lumineszente

Makromonomere 54, 55

Lithiumphenylacetylid 140

- Gen 128

- Dendrimer-Arme 219

makromolekulare 182, 162, 305

Systeme

Makromonomer-Methode 52, 54, 55

L-Lysin-p-nitrophenyl-Ester 103

- Dendrimere 323 - Lanthanid-Ionen 104

Makromonomer-Route 54

Logo 17

- Polylysin-Dendrimere 104

makroskopische Chiralität 161, 162, 165, 167, 297

L-Lysin-Einheiten 159

lokal bifunktionalisierte Dendrimere 78 lokale - Bifunktionalisierung 78, 79

Lumineszenz MALDI - Eigenschaften 47, 201, 203 - Intensität 204

77,

- Chiralität 165, 167, 169

- Marker 17 lumineszierend 151

- Umgebung 161, 297

lumineszierende 171

Dendrimere

Luminophore 185, 190, 198

Lokalisierung der Endgruppen 286, 287

LUMO 325, 327, 328

Lokanten 30

Lysin

Löschen - der Fluoreszenz 104, 193, 227, 231 Löschmoleküle 198

- Bausteine 49, 50, 103 - Dendrimer 105, 329 - Dendrons 328

- Matrizen 284 - MS 279, 282, 299

- Lebensdauer 192

- Störungen 178, 179, 181

- molekulare Ereignisse 181

7,

- TOF 282, 284 - TOF-MS 302

146, 282, 283,

Malonester-Addukt - des Fullerens 127 MALS 277 Mandala-Dendrimer 125 Mandelbrot-Mengen 19 Mangan(III)-porphyrin 308 Mannopyranoside 123 MAP 46, 317

375

Sachverzeichnis Mark-Houwink-Beziehung 22 Massenspektrometrie 10, 275, 281, 282, 298, 299 maßgeschneidert 21, 46, 67, 222, 234, 237, 238, 265 Materialoberfläche 146 Matrix 217, 281, 282, 283, 242 - Assisted Laser Desorption TOF MS 282 - Assisted Laser Desorption Ionization 281 Maximum 23, 24, 25, 168, 195, 265, 286, 295 mechanische Stabilität Dendrimers 22

des

Medizin 16, 17, 162, 288, 292, 312, 317, 328, 342 Medizinische Anwendungen 11, 128, 146, 203, 280, 284, 330 Medizinische Diagnostik 328

11,

Metall-freie dendritische Katalysatoren 254 Metall-freier 199

Porphyrinkern

Metall-

Methylorange 206, 207

- Ion 104, 105, 128, 231, 232, 326, 328 - Ion-freie Dendrimere 225 - Kation 46, 148, 325 - Komplex 148, 249 - komplex als Kerneinheit 7, 46

Menger-Portnoy-Modell 255 Menschutkin-Reaktion 129 Mercaptoethanol 250 meros 14, 17 Mesityl 238 Mesitylen 129, 215

Methylpropylphenylacryl-säure 247 Methylsulfanylbenzen 259 Methyltrichlorsilan 141 Micellanoate 232 Micellanole 311

- komplexierende Dendrimere 59

Micell-Charakter 232, 233

- komplexiertes Porphyrin 316 - koordination 204 - oberflächen 179, 308

Metallocene 149

- technik 10, 307

- funktionalisierte Dendrimere 207

-komplexe als Verzweigungseinheit 7, 47

Mehrfachbindungs-Elemente 105

- reaktor 10, 138, 269, 270, 309, 310

Methylacrylat 14, 242 Methylalumoxan 309

Metallo-Carbosiloxan-Dendrimere 141

Membran

Methotrexat 331

Metallierung 73

mehrdimensionale NMR-Spektroskopie 9, 280

Mehrfach-Wechselwirkungen 222

Methanol 272

Metallocen-Gruppen 309 Metallo-Dendrimer 150, 151, 198, 251, 284, 293, 322 - Katalysatoren 214 Metallo-Phthalocyanin-Kerneinheit 250 Metallo-Porphyrin-Dendrimere 251 Metallo-Porphyrine 250, 251, 340 Metall-Porphyrin-Katalysatoren 259

micellare Moleküle 126

Micellen 232, 234, 255, 311 Michael-Addidion 12, 14, 92, 94, 99 Michaelis-Menten-Enzymkinetik 244, 255 Michigan 17 Microchip-Technologie 330 Mikro - domänen 169 - elektronik 341 - filtration 310 - kontakt-Drucken 313 - umgebung 64, 70, 220, 279 Mikroskopierspitze 291, 292

289, 290,

Milchsäure 335 Mimetikum 318 MIP-Arrays 219

Metall-reiche Dendrimere 299

Mischkomplex 244

Metallzentren 242, 246, 257

Mismatch-Destabilisierung 180

mesoskopische Chiralität 182, 305

Metamorphose 72

Metall/Ligand-Komplexierung 147

Metathese 9, 54, 211, 212, 213, 214, 215, 216, 218, 304

Mistel-Bewuchs 18 Mn 27, 144, 277

376 mobile Phase 271, 272, 273, 274 Mobilität 277, 278, 281 Modell - Berechnungen 14 - Substanzen 254 - Verbindung 79, 159, 161, 253, 258, 259, 298 - Vorstellung 25 Modifier 146 Modifizierungs-Reagenzien 67 molare

Sachverzeichnis - Prägen 217, 219, 313 - Prägen mit Dendrimeren 218 Molekulargewicht 161, 285 Molekulargewichts-Verteilung 27

- Verzweigungseinheiten 69

Molekül

- Molekül 51

- dynamik 281, 302

- Drehwerte 163, 248

- masse 23, 27, 97, 113, 121, 133, 144, 271, 282

molekular geprägtes Polymer 217 molekulare - Antenne 107 - Chiralität 161, 162, 297 - Druckplatte 313, 314 - Elektronik 5 - Erkennung 119, 265 - Knoten 28, 164, 275 - Pinzette 236, 237, 240, 241 - Schablone 217 - Schachtel 313, 314 - Verkapselung 331, 314 molekularer - Sauerstoff 197, 198, 309 molekulares - Klebeband 334

Monomer- Einheiten 25, 107, 179

- arme 35

- konformation 277

molekular geprägte Oberfläche 219

monomere

Moleküle homogener Größe 27

- optische Rotation 164

Molekülaggregate 50

Monomere 51, 54, 64, 143, 161, 177, 217, 335

- Bausteine 54

- Masse 275, 278, 298, 299

molecular printboard 313

Monomer-Bausteine 144

Molekularmasse 22, 308, 310

- größe 20, 271, 276, 291, 299, 306, 324

molecular imprinting 217

MonofunktionalisierungsSchritt 78

- kombinations-Methode 69, 70 Monooxygenasen 258, 259 Monosaccharide 170, 308 Monosaccharid-Gäste 170

- peripherie 8, 62, 64, 65, 67, 68, 74, 76, 77, 78, 80, 83, 85, 86, 87, 146, 174, 175, 176, 286, 287, 322

Monoschichten 126, 289

- segmente 41, 74, 75

multiangle light scattering-detector 277

Molmasse 23, 27, 40, 54, 56, 93, 99, 124, 146, 276, 277, 329

- bestimmung 277 - Standards 278 - verteilung 275, 276

multichromophores Dendrimer 82

- Dendrimere 8, 42, 62, 73, 74, 82, 83, 85, 86, 87 - dendritische Systeme 74 - Plattform 116

Mono-Amin 12 monodispers 27, 127, 162 monodisperse 37, 42, 66,

multifunktionalisierter baustein 38 Multifunktionalisierung 74, 84

Kern73,

Multifunktionalität 41

- POPAM-Dendrimere 94 Monodispersität 27, 306, 307 monofunktionale 8, 62

MRI 11, 102, 328

multifunktionale

Molmassen

- Dendrimere 107, 144

Morpholin 120, 121

Dendrimere

Monofunktionalisierung - der Endgruppen 86

multi-funktionelle Kerneinheit 20, 22, 39 Multi-labeling 323 Multiple Antigen-Peptide 317 Multiplizität 22, 64, 66

46,

377

Sachverzeichnis Multiplizität der Verzweigungen 22, 134 Multiplizität des Kerns 29, 64 Multiporphyrin-System 199 Multi-Schichtmethode 340 multivalent 225, 320 MW 27, 144, 277, 285

- meter-große Moleküle 328 - meter-skalig 193 - Moleküle 241 - Partikel 230, 234, 293, 299 - Poren 217 - porös 342

- siloxid 142 N-Diphenylphosphinylimine 258 Nd-YAG 281 Near Infrared 104 Neben-

- Reaktoren 309

- produkte 27, 40, 44, 76, 137, 348

- Röhren 219, 340

- reaktionen 54, 67, 218

N-(3-Dimethyl-aminopropyl)2-naphthalen-1-sulfonamid 202

- skalig 104, 223, 338

negative staining 293, 294

N,N-Dimethylacetamid 285

- skalige Anwendungen 56

Nachbarschaft 260

- skopisch 305

negativer Dendritischer Effekt 177, 196, 257, 258

nächste 40

94, 104, 189,

Dendron-Generation

nachträgliche Funktionalisierung 66, 85 nachträgliche innere Funktionalisierung 72

- Schleuse 338

- Technologie 11, 73 - Transporter 331 - Umgebung 68 Naphthalen

- wirkungen 333

Negativ-Kontrastierung 294

293,

Neodym(III)- und Seltene Erdmetall-Ionen 104 Neopentyl-Kern 232

- diimid-Einheiten 260

Nervenzellen 18, 35

- disulfonat-Einheiten 334

Netzstruktur 18

nahezu perfekte Dendrimere 27

- Einheiten 197, 248

Netzwerke 16, 151, 152, 217

- Gruppen 197, 326

Netzwerk-Precursoren 312

Nahezu-Z-Form 228

- Ringe 57

Netzwerk-Vorstufen 10, 312

Nachweisgrenze 112, 279

Namensgebung 28, 29 Nano-

Naphthyl-

Neuraminidase 319

- Amin-Exciplex 201

Neutronen 285, 286, 336, 337

- Architektur 20, 306

- Chromophore 190

Neutroneneinfang-Terapie 336

- Dimension 17, 307

- dekoriertes Dendrimer 201

- Elektronik 339

- Einheiten 202, 204, 228

Neutronen-Kleinwinkelstreuung 286

- Fasern 289

- Excimer 201

- Filtration 308

- Gruppen 164

- filtrations-Membranen 309

- lokalisierte Bande 202

- Gerüstarchitektur 39

- Reste 190

- Kapseln 10

- sulfonamid-Einheiten 204

- Materialien 17

Natrium-

- meter 5, 56

- borhydrid 12

- meter-Dimension 5

- dithionit 260

- metergroß 125, 199

- Ionen 327

Newkome-Nomenklatur 7, 28, 29 Newkome-Typ 99, 152, 323 nG 21 N-Hydroxysuccinimid-Ester 66 nicht-kovalent 46, 79, 211, 220, 222, 229, 320 nicht kovalente Wechselwirkungen 48, 220 nicht perfekt 27, 332

378 Nicht-Kontaktmodus 290, 291, 292 nicht-lineare Antworten 181 nicht-lineare Optik 115 Nickel - als Katalysezentrum 308 - Dendrimere 242 - Komplexzentren 242 niedere Generationen der Dendrimere 23, 315

Sachverzeichnis NO3¯ 262

- belegung 289, 291, 292

Nobelpreis 14

- Blockdendrimere 86

Nodal-Nomenklatur 30, 33

- dichte 262

NOE 279 - Wechselwirkungen 280

- fixierte Dendrimere 314 - Funktionalitäten 42

NOESY 280 - Experimente 279 Nomenclature of Rotaxanes 37

- gestalt 64 - härte 312 - muster 314

Nomenklatur

- strukturen 289

niedermolekulare Chemie 35, 37, 88

- für dendritische Verbindungen 35

niedrige Dendrimer-Generationen 40, 42, 285

non-skid-chain like molecules 35

NIR 104

Norbornen 214

Octen 259

Nischen 22, 106, 126, 211, 288, 230, 232, 244

normale ORD 295

octopus molecules 12

Normalphasen-Chromatographie 271

Octyl-

Nitril-Funktion 12 Nitrilotripropionsäure-Kerneinheit 97

Novabiochem 46

Nitro-1-propanol 257

nte Generation 223

Nitroaldol-Reaktion 257

nuclear Overhauser effect 279

Nitroalkane 257

nuclear Overhauser enhancement spectroscopy 280

Nitrobenzen 322 Nitrobenzisoxazol 255 Nitroethan 257 NKern 29 NLO 115, 315 nm 104, 105, 125, 166, 168, 189, 190, 193, 196, 227, 281, 296, 330, 332, 338 N-Methylnaphthalen-sulfonamid 202

Substitutionen

- Spektroskopie 9, 46, 146, 178, 225, 278, 279, 280, 281, 299, 300 - Techniken 271, 279, 280, 288

Obst 321

- Ketten 255, 256

oktaedrischer Komplex 191 OLED 315, 316 Olefine 214, 269 Olefin- (co)polymerisation 309 - Dendrimer 215

Nukleinsäure 129, 160, 277

- Epoxiderung 259

Nukleophile 133

- Metathese 211, 214, 216

nullte bis zweite Generationen 162, 168, 240, 244

- Metathese an Dendrimeren 216

nullte Generation 97, 101

Oligo-

Nummerierung 31, 33

- amid-amino-Dendron 126

nʌ*-Bande 204

- benzen-Dendrimere 109

NMR - Absorptionen 237

Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis 230

- Gruppen 249

NP-Chromatographie 272

nukleophile 135, 238

74, 75,

- Diamin 93 Oberfläche - des Dendrimers 20 oberflächenaktiv 255 Oberflächen- analytik 289

- dibenzylsulfid-Dendrimere 72 - dibenzylsulfon-Dendrimere 72 - ethylenglycolether-Ketten 121

379

Sachverzeichnis - ester-Dendrimere 121

- Chemie 5, 209, 305

- Nanopartikel 230, 293

- ethylenglycolether-Einheiten 230

- Licht-emittierende Dioden 315

- phosphin-Komplexe 309

- funktioneller Kernbaustein 40

- Solventien 24

- Funktionalisierung 38

PAMAM - basiert 336

Organolithium-Reagenzien 73

- Lysin-Dendrimere 105

Organoruthenium-Einheiten 67

- methylbenzen 215

Organo-Stannane 230

- nucleotide 330

orthogonal

- Dendrimer 24, 25, 33, 34, 39, 65, 66, 97, 99, 100, 102, 116, 123, 124, 176, 223, 230, 233, 241, 252, 253, 258, 260, 261, 278, 282, 286, 291, 292, 324, 331, 332, 333, 337

- phenyle 108

- geschützt 71, 85

- Katalysator 253

- phenylenvinylen-Dendrimer 72

- geschützter KohlenhydratBaustein 122

- Kern 260

- phenylenvinylen 146

orthogonale

- Parameter 99 - Verzweigungen 100

- silane 133

- Kupplung 41

Paracyclophane 164, 165

- silan-Kerneinheit 142

- Synthese 7, 41

Parallele Monomerkombinations-Methode 70

optisch aktiv 166 optisch aktive - Dendrimere 247

Osmium - Komplex 151

Parallel-Synthese 69

- tetroxid 293

Partikelgröße 328

- Dendrimer-Liganden 310

Osmometrie 299

passives targeting 331

- dendritische Katalysatoren 311

Oxidation

Patente 16, 159

- Ferrocen-Einheiten 150

- von Sulfiden 259

p-Brombenzyl-Endgruppen 67

Oxidationsmittel 259

Pd(0) 127, 230

Oxidationsprozesse 309

Pd(PPh3)4 108, 121, 127

oxidative und reduktive Spaltungskonzepte 45

PDI 27, 144, 275

Oxidoreduktase 128

Pd-Nanopartikel 230

- Aktivität 162, 166, 176

Oxiran-Endgruppierung 54

PEG-mesylat 232

- Aktivität je Endgruppe 176

Oxo-Spezies 259

- Drehung 297

Ozon 322

Pentafluorphenylester-aktiviert 76

- Gruppen 173 - Medien 294 - Substanzen 275, 295, 296 optische

Pentaphenylbenzen-Einheiten 115

- Drehwerte 161, 171 - Eigenschaften 316

P=N-P=S-Einheiten 147

- Rotationsdispersion 10, 24

Packungseffekte 161, 297

- Speichermaterialien 316

Palladium 252 - (II)-Salz 330

Ordnungszahl der Generation 31

- Katalysatoren 309 - katalysierte 101

Peptid- Dendrimer 183, 317 - bindungs-Knüpfung 122

ORD-Kurve 295

Organische

PdMe2-Komplex 251

- Einheiten 112 Hydrierung

- Kupplungsmethoden 252 - Synthese 44

380

Sachverzeichnis - Dansyl-Reste 104

peptidisch 103, 319

Peripherie 82, 84

perfekt 27, 87, 232 perfekte - Architektur 116 - Dendrimere 25, 27, 332 Perfektheit 5, 14, 25, 146

Phenylsiloxan 142 Philie

- eines Dendrimers 95, 96, 163, 177, 211, 220, 221, 222, 224, 281

- Balance 311

- mit kationischen Gruppen 46

- Eigenschaften 211

Perfektion eines Dendrimers 279

per-mono-substituierte DansylDendrimere 95

Perfluoralkylether 67

Peroxidasen 258, 259

peripher

Perylen 196

- Effekte 88

Phloroglucin 172 Phosphanierung 150 Phosphan-Liganden 79, 215 PhosphinDendrimer-Katalysator 252

- bifunktionalisierte Dendrimere 79

PET 126, 127, 320, 325, 326

- funktionalisierte Dendrimere 65

Petrolether-löslich 67

Phosphinomethylierung 66

Pfeiffersches Drüsenfieber 330 PGSE 280

Phospho-Dendrimere 145, 146, 147, 251

pH

Phospholipid-Membran 324

- heterogene Dendrimere 75, 76, 78 - homogene Dendrimere 66, 67 - monofunktionalisierte Dendrimere 79

- Abhängigkeit 207 - Bereich 332 - Indikatoren 205, 206, 323

periphere- Carboxyl-Gruppen 191

- Sensorsysteme 322

119,

- Einheiten 87, 177, 207 - Endgruppen 29

- Inhibierung 332 - Kontrolle 206, 314 - Wert 234, 280, 288, 291, 323, 324, 331

- Fluorophore 326

phasensepariert 250

- funktionale Einheiten 67, 87

Phasentransfer-

- Funktionalitäten 65

- Katalysator 10, 293, 311 - Prozess 324

- Gruppen 26, 57, 64, 65, 66, 67, 68, 73, 74, 75, 79, 80, 85, 86, 97, 177, 275, 285

Phasentrennung 316

- Kupplungsstellen K 42

Phenanthrolin

- Naphthyl-Einheiten 202

Phasenverschiebung 295

- Liganden 148

- Substitution 108

Phenolblau 232, 233

- Azobenzen-Einheiten 205

Phenylacetylen-

- Liganden 230

132,

Phosphor - basierte Dendrimere 132, 145, 146 - Chemie 220 phosphoreszente Moleküle 315 Phosphoreszenz 185, 189 - Ausbeute 187 - Lichtquanten 187 phosphorhaltige 66, 73, 5, 145

Dendrimere

photoaktive - Dansylreste 193 - Einheiten 62, 80 - Kerneinheiten 64 - Dendrons 193 - Metall-Ionen 193 photoangeregter Zustand 191, 197, 198, 202, 226

- chirale Einheiten 174, 176

- Dendrimer 107

Photochemie 114, 115, 204

- Chromophore 83

- Dendrons 170

photochemisch 325

- Dansyl-Funktionen 94

Phenylendiamino-Gruppen 261

22, 45, 202,

photochemische Anregung 199

381

Sachverzeichnis Photodynamische Therapie 11, 333

- Elektronen-Acceptor 206, 236

photoinaktiv 201

ʌʌ*-Bande 204

photoinduziert 326

pico 282

photoinduzierte tragung 185

Pigmente 10, 311

Energieüber-

photoinduzierter Elektronentransfer 126, 127, 264, 324, 325 Photoisomerisierung 9, 114, 194, 204, 205, 206, 210, 227, 228

Poly(benzylether)-Dendron 65, 67, 69, 80, 83

Pinacyanolchlorid 232, 233

Poly(esteramid)-Dendrimer 323

Pinzette 251

Poly-(N-isopropylacrylamid) 250

236, 237, 240, 241,

Poly(phenylester)-Dendrimere 308, 322

PIPAAm 250 pKs-Wert 323

Photolumineszenz 185, 316

planar-chiral 173, 275

Photometrie 232

Platin-

Poly(p-phenylen)-Polymere 53 160, 164, 168,

- Addukt 322

Photonik 5

- Chelatkomplex 322, 323

photonisch 220

- Komplexe 147, 323

Photooxidation 192, 198

- Siloxan-Komplex 136

Photopolymerisation 312 photoschaltbar 227, 228, 337 photoschaltbare - Dendrimere 11, 207, 337, 338 - Einheit 204

Poly(vinylacetat) 54

Polyaddition 51

Plattform 68, 116, 121

Polyamidoamin-Dendrimere 97, 335

- Displays 315 p-Nitro-benzaldehyd 257 p-Nitrophenyldiphenylphosphat 255

Photosensibilisator 333

polare

Polyalkyl-Dendrimer 73 Polyamid 54, 66

PLED

Photoschaltung 205

Polyacrylamid-Gel 278 Polyacrylat 55

Plattengel-Elektrophorese 278

P-NMR-Spektroskopie 300

Poly(propylenamin)Dendrimer 250, 251 Poly(propylenimin) 92, 97

Photonen 187

photophysikalische Eigenschaften 9, 185, 186, 188, 190

Poly(benzylether)-Dendrimer 65, 66, 67, 69, 71, 72, 75, 163, 164, 288

146,

Photospaltung von Wasser 191

- Endgruppen 323

Photostabilität 191

- Lösungsmittel 99, 250, 272

Photosynthese 193

- periphere Gruppen 73

Polyamin-Dendrimere 66, 79, 87, 255 Polyanionische 126

Dendrimere

Polyaren-Dendrimere 154

108,

Polyarylamin-Dendrimer 261, 262 Polyarylether 15, 116

Phthalocyanine 250

Polarisationsebene 295

Polybenzen-Dendrimere 107, 108, 109, 111, 112, 154

Physik 5, 14, 17, 204

Polarität des Lösungsmittels 272

Polycarbonsäure-Dendrimere 216

Polyacrylsäure 54

Poly-Dansyl-dekorierte AM-Dendrimere 94

physikalisch aktive Gruppen 68 physiologischer Bereich 323

Poly(amidoamine) 97, 335

pi (ʌ)-

Poly(arylether)-Dendrimer 162

- Donoren 75, 205

POP-

polydispers 27, 37, 51, 55 polydisperse hyperverzweigte Verbindungen 51

382

Sachverzeichnis polyvalente Wechselwirkungen 320

Polydispersitäts-Werte 277

Polymere 7, 10, 11, 23, 24, 25, 27, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 64, 88, 92, 100, 127, 143, 182, 273, 277, 305, 306, 307, 312, 323, 341, 342

Polyelektrolyt-Katalyse 255

polymere

POMAM-

Polydispersitäts-Index 27, 275, 277 Polydispersität 27, 282, 291

Polyester - Dendrimer 120, 121, 307 - Dendrons 250 Polyether-

- Katalysatoren 308

polymeres Netzwerk 217

- Dendrimere 100, 101

Polymer-

- Dendrimere höherer Generationen 101

- Gerüste 56

- carbamat-Dendron 41

- Helix 180

- Dendrimere 117, 118, 171, 254, 255

- Mischungen 316

- Dendrons 116, 117, 152

- Polymerisat 144

- Schale 130

- Rückgrat 52, 54, 55, 56, 179

- glycol 80, 103, 232, 331 - imin-Rückgrat 53 PolyFect® 332

Polyvinylchlorid 54

- Dendrimer zweiter Generation 102

- Träger 44

- amid-Hülle 198

Polyethylen

Polyvinylalkohol 54

POPAM - Dendrimere 36, 76, 79, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 99, 175, 176, 177, 202, 203, 205, 206, 221, 225, 226, 277, 228, 229, 231, 234, 283, 284, 287, 302, 30,9, 311, 323

- Moleküle 55

- Träger 309

- Dendrimer vierter Generation 96 - /Fréchet-Typ 190

Polymerisation 52, 54, 115, 144, 180, 213, 214, 217, 309

- Kerneinheit 100

polymerisiert 54, 217

- Komplexe 255

Polyglutaminsäure-Dendrimer 323

Polyole 308

- /PAMAM-Hybrid-Dendrimere 96, 153

Polyisocyanat 180

Polyolefin-Dendrimere 214

polykationische

Polyolefine 215

- Dendrimere 128, 129, 130, 147, 255 - Verzweigungsschale 130 Polykondensation 51, 54, 127 Polylysin - Dendrimer 8, 13, 46, 102, 104, 341

Polyphenylen-Dendrimer 24, 73, 108, 109, 110, 154, 284, 287, 291, 292, 308, 315, 322

- Wirtverbindungen 228 Poren 276

20, 38, 98, 217, 275,

- des Trägermaterials 276

Polyprolin-Bausteine 46

- bildner 342

Polypropylenamin 92

- größe 309, 319

Polypyridin

- wände 340 poröse Membran 340

- Liganden 47, 63, 87 Polysilan-Dendrimer 132, 284

Porphyrin 124, 125, 251, 318

- Factory 121

Polysilane 132

Porphyrin/Metall-Komplexe 148

- analoge Methode 7, 52

Polysiloxan-Dendrimer 143

- analoge Synthesestrategie 52

Polystyren

Polymer

- Chemie 5, 35, 179 - Displays 315

- Gel 275 Polyurethan-Lacke 6, 312

142,

Porphyrin/Zink-FullerenSysteme 264 Porphyrin/Zink-Komplexe 264, 265 Porphyrin-

383

Sachverzeichnis - Dendrimer 199, 200, 251, 259, 323, 324, 334, 340 - Einheit 124, 264, 327 - Metallkomplex 318 - Zink-Komplexe 199 positiver Cotton-Effekt 296 positiver Dendritischer Effekt 191, 196, 258, 259 Postmodifikation 73, 85, 86

67, 68, 71,

PZn 264, 327

Protein - faltung 317

PZn-C60 264, 327

- hülle 259, 318 - Mimetika 173, 183

Qiagen 332

protisches Lösungsmittel 199

QMB 320

Protonen-

Qualitätskontrolle 322

- Kanäle 324

Quantenausbeute 197, 226, 316

- Pumpe 323, 324

Quantenmechanik 289

protoniert 202, 207, 313

postsynthetisch 67 potentielle Therapeutika 102

protoniertes Dendrimer 202, 282

p-Phenylendiamin-Spacer 261

Protonierung 202, 204

129,

p-Phenylphenol 140

- der Azo-Funktion 205

PPI 37, 92

- der Methylorange-Einheiten 207

ppm 322 Prämodifikation 69, 85

- der tertiären Amino-Gruppen 234 Protonierungs-Stufen 201

präparative - Aufarbeitung 40

pseudo 220

Flüssigchromatographie 272

pseudo-micellare 255

- Synthese 94

Pseudorotaxan-

- Trennung 274, 275

- Einheiten 220

Präventionsmittel 11, 334

- terminiertes 221

primäre - Amine 73 - Aminofunktionen 84, 310 - Aminogruppen 65, 283 - Mono- oder -Diamine 12 Probengemisch 273

114, 128,

Umgebung

quartäre Ammonium-Ionen 254, 255, 256 quasimolekulare Ionen 282 Quasi-Rotaxane 236 quater-direktional 232, 233 Quaternisierung 167 Quellverhalten 44 Quencher 198 Quench-Prozesse 187 Quervernetzung 211, 212, 219, 330

r 26, 189 R0 189 Dendrimer

Racemate 167

Psoriasis 319

Racemat-Trennungen 177

Publikationen 16, 35

racemische Mischungen 275

Pufferlösung 277, 314

Racemisierungs-Effekte 177

Pulsed Gradient Spin Echo 280

Radikale 314

push/pull-

radikalische 51, 54

Polymerisation

Probenmengen 272, 282, 299

- Azobenzen-Derivat 205

radioaktive Marker 330

Propargyl 73

- ʌ-Azobenzen-System 206

Radiolumineszenz 185

- Substituenten 205

Radius des Dendrimers 176

Propeller-artige 169, 178

Anordnung

Propellerkonformation 177 Propylenamin 12, 13, 250 Protein-Dendrimere 10, 317

- System 206 Pyren 73, 233, 235 Pyridinium-Ring 237 Pyridylalkohol-Einheiten 311

26,

Ramberg-Bäklund-Umlagerungen 72 Rastersonden-Mikroskopie 10, 288, 289, 291

384

Sachverzeichnis

Rastertunnel-Mikroskopie 289, 290

redox-aktive mere 148

Rational Echo Double-Resonance 288

redoxaktiver Kern 64

Raumanspruch 243

Metallo-Dendri-

Redox-

Reinigung 72

- Gradient 261

raumerfüllende äußere Dendrons 207

- von Dendrimeren 146, 275, 279, 282

Reinheitskontrolle 272

- Funktionen 261

- der Benzenringe 109

Dendrimer-Probe

Reinheitsgrad 92, 99

- Aktivität 242

Raumbedarf 54, 238, 239

- einer 277

- potential 262, 263

Reinigungsprozesse 45, 53 reinste Substanzen 37

raumfüllende Benzylether-Einheiten 218

- protein 126, 127 - prozesse 223, 264

relative molare Masse 278

räumliche

- Sensorgruppen 262

Relaxation 196

- Sensorik 262

Relaxationszeit 328

- Transferkinetik 263

renal 328

- verhalten 64, 75, 220, 235, 262

Reorganisations-Energie 264

- Ausdehnung eines Dendrimers 98 - Nähe 80 - Struktur 25, 280, 281, 285, 286, 288, 300 räumliches Gedränge Zweige 134

der

54,

Reaktionssequenz 44 Reaktionszyklen 251 reaktive - Endfunktionalität F 38 - Endgruppen 39, 40, 41 - Kupplungsstellen K 38, 54 Reaktivität 64, 76, 144, 244, 249, 252, 259, 288, 307 rechts circular polarisiertes Licht 294, 295, 305 Rechtsschraube 178 Recycling 176 Recyclisierung 45, 308, 323 REDOR 288 redoxaktiv 330, 337

repetitiv 12, 27, 44

- mit LAH 141, 144

Reaktionsbedingungen 41, 44, 63, 66, 68, 76 Reaktionsgeschwindigkeit 244, 245, 248, 250, 255

Repetition 12, 239

- Zentrum 263 Reduktion

RCM 218

repetitive - Schritte 35, 133, 141

Reduktions-

- Synthesesequenz 38, 140

- mittel 93

- Zweistufen-Synthese 116

- potential 318

Reproduzierbarkeit 322

- reaktionen 261 reduktive Aminierung 77

Resonanzen 279, 281 Resonanzfrequenz 291

Referenz- substanz 242

275,

198, 203, 232,

- verbindungen 220

191, 204,

Refractions-Index 277 Regeln 28, 30, 33, 37, 179, 180, 181, 289, 294, 297 regioselektiv 38, 73 Regioselektivität 50, 73 Reif 236, 238, 239 Reifegrad 321 Reinheit - der Generationszwischenstufen 146

278, 280,

Resonanzschwingung 321 Retentionszeit 328 Reversed Phase 328 reversibel 59, 217, 220, 222, 227, 255 Reversibilität 46, 237, 264 reversible 48

Wechselwirkungen

Rezeptor - Einheiten 224, 254 - Inhibitoren 320 - Verbindung 325 Rg 285

385

Sachverzeichnis Rhenium-Komplex 226, 227 Rheologie-Modifizierer 312 rheologische 286

Eigenschaften

- (II)-bis(terpyridin)-Dendrimere 264 - (II)-Komplexe 198, 247

80, 197,

Rheumatismus 319

- Carben-komplexierte Dendrimere 213, 214

RI-Detektor 277

- Kation 47, 191, 197

Rigidität 21, 22, 38

- Komplex 46, 80, 191, 198

Rigidität/Flexibilität-Balance 307

Rylen-Farbstoffeinheiten 83

Scanner 289 Scanning Probe Microscopy 289 Scanning Tunneling Microscopy 289 Schalen 62, 68, 190, 279, 280 schaltbar 204, 338 schaltbare - Dendrimere 76, 77 - Redoxprozesse 223

Ringöffnung 44, 259 Ringöffnungs-Metathese-Polymerisation 54, 213, 214

S = Schutzgruppe 40, 41, 43, 45, 101

Schalteigenschaften 316 Schaltung 326

Ringschlüsse 275, 277, 299

S = geschützte, inaktive Funktionalität 39

Ringschluss-Metathese 218, 219, 340

S/cm 260

Schaumstoff-Formulierung 10, 312

S0 186, 187, 333

scheibchenförmige Spezies 109

S1 186, 187, 333

Schichtdicke 295

Saccharid

schichtweise aufgebaute Dendrimere 68

215,

ROMP 213, 214 Röntgen-Kristallstrukturanalyse 6, 10, 57, 284 Rotationsdispersion 295

10, 294,

Rotaxan-Achsen 237 Rotaxane 9, 28, 37, 164, 220, 237, 238, 239, 275 RP 271 - Chromatographie 272, 274 - HPLC 275 Ru(bipy)3-Komplexe 192

- Analyte 324 - Gastmoleküle 324 - Sensor 77, 324 Safran 322 Salen-

Rückhaltevermögen 309 Ru-Katalysatoren 214 Ruthenium

Schneeketten-artige 35

Moleküle

schrittweiser Aufbau von Polylysin-Dendrimeren 104

SALLS 299

Sauerstoff 197, 198, 309

Rückgewinnung 64, 176, 241, 308, 309

Schneeflocken 18

Schrägstriche 33

Ru2+-Bindung an den Bipyridin-Stickstoff 46

Rückfaltungsprozess 246

Schmelzpunkte 57

- Liganden 169, 254

SANS 10, 25, 284, 285, 286, 288, 299, 300

Rückfaltung 25, 26, 38, 99, 116, 268, 287, 288

Schleuse 11, 338, 339

- Einheiten 252, 254

Ru(II)-Dendrimere 292

- Bipyiridin-Komplexe 197, 198

6,

Schrumpfung des Moleküls 66 Schuppenflechte 319 Schusslinie 179, 180

- Lieferanten 251

Schusslinien-Analogie 179

- Transfer 259

schützende Wirkung 236

Säule 274, 276 Säulenchromatographie 274 säulenchromatographische Trennung 272, 273 saure Katalysatoren 133 saurer Regen 322 SAXS 10, 284, 285, 286, 288, 299, 300

Schutzgruppe 39, 40, 41, 43, 45, 51, 78, 101, 103, 108, 109, 117, 150 Schutzgruppen-Technik 51 Schwefeldioxid 150, 332 schwerlöslich 67, 108 Schwerlöslichkeit 50

386

Sachverzeichnis

Schwingquarz 321 Schwingquarzwaage 320, 321, 322, 323 Schwingungs-Amplitude 291 Schwingungs-Circulardichroismus 168 Schwingungs-Feinstruktur 235 Schwingungsstruktur 186 SEC 275, 279, 299 sechste Generation 241

selbstorganisierte 291

Strukturen

sichtbares Licht 190, 192, 193, 327

Selbstoxidation 259 selektiv 22, 50, 85, 180, 222, 237, 320, 321, 337

selektiver Gasteinschluss 217

- Gruppen 77, 323

Selektivität 51, 112, 177, 249, 251, 257, 259, 308, 309, 322, 327, 337

Seestern-artige Moleküle 133

self organisation 49

Segmentdichte 24, 25, 286 - Verteilung eines Dendrimer-Moleküls 24 segmented-block dendrimer 40 segmentförmige Dendrons 40

sekundäre Alkohole 249, 311 Sekundärstrahlung 285

- intensivierung 330 - verstärkung 21

Si-H-Gruppen 66, 141, 144

self-assembly 223, 320 Seltene Erdmetall-Ionen 104

Silan-Dendrimere 132, 133 Silane 133 Silan-Polymerisation 309

sensibilisiert 227 Sensibilisierung der Photoisomerisierung 227

Silber 59, 293 Silbersalze 282 Silicium 289

sensitiv 79, 321

- basierte Dendrimere 130 Silico-Dendrimere 132

Sensor - für Schwefeldioxid 150 - effekte 190

selbstähnliche

Signal

SH-Endgruppen 140

Selektorschicht 321

sensitive Schicht 320

seitenverkehrt 234

signalgebende - Einheiten 324, 326

Selektor 320, 321, 322, 325

Segment-Blockdendrimere 40

Sierpinski-Dreieck 19, 20

selektiv aktivierbare Funktionalität 71

Sedimentationsgleichgewicht 27 dendritische

- Derivat 319

Siloxan-Dendrimere 141, 142

- Einheiten 30

- eigenschaften 298

- Strukturen 18, 21

- materialien 323

Siloxan-Kernbaustein 142

Selbstähnlichkeit 19, 20

- schicht 320, 321

Selbstanordnung 49

- system 326

silyl-ethinylierte 135

Selbstaufbau

- technologie 162

- von Dendrimeren 50, 51, 223 Selbstorganisation 46, 48, 50 - von Dendrimeren 9, 223, 289, 292, 320 - von Glycodendrimeren 320 selbstorganisieren 50 selbstorganisierend 320

49, 107,

104, 105,

Siliziumdioxid-Nanoröhren 338

Siloxane 132, 143

Dendrimere

Silyl-Lithium-Verbindungen 133

Sequenz 48, 52, 56, 138, 141

Simulationen 288

Sergeant/Soldaten-Prinzip 179

single-site-Bindungsmodell 255

Sergeant/Soldaten-Regeln 181 Sergeant-and-Soldier-Effekt 179

Singlett - Energietransfer 199

shielding-effect 249

- Sauerstoff 333

Shiga-Toxin 136

Singlett-Energietransfer 196

Sialinsäure 319, 320

- Zustand 187, 227, 333

387

Sachverzeichnis SiO2-Nanoröhren 338

- Funktionalitäten 75

stationäre Phase 162, 271, 272, 273, 274, 275, 276

SiOH-Gruppen 142

Spezifität 332

Size Exclusion Chromatography 275

sphärisch 308

statistisch verzweigte Moleküle 51

sphärische

statistische

skalare (J-)Kopplung 278 Small Angle Neutron Scattering 25, 284

- Dendrimere 277, 308 - Gestalt 133, 241

Betrachtungen 14

Small-Angle X-ray Scattering 285

spiegelbildlich 168, 171, 186

Monofunktionalisierung 76, 86

Spin 280

- Thermodynamik 179

Smog 322

spin-coating 289

- Verteilung 76, 77, 86

SO2-Detektion 323

Staudinger-Index 22, 23

SO3 322

Spin-Gitter-Relaxationszeiten 280, 281

Sol/Gel-Prozess 338

Spinumkehr 187

Steifigkeit 289, 292

Solarenergie 327

Spirobi[9H-fluoren]-Einheit 170

Soldaten 179, 180, 181 Solvate 284 solvatisiert 99 Solvatochromie 220 Spacer 8, 12, 73, 109, 134, 142, 159, 163, 170, 171, 172, 173, 176, 196, 225, 261, 265, 319 Spallationsquelle 285 Spalt 237 spärisch 308 Speicherdichte 341 Speichertechnologie 316 Spektralbereich 165, 185, 315 spektrale Überlappung 188 spektroskopische Untersuchungen 9, 164, 279 Spektrum 63, 82, 114, 170, 278, 280, 295, 297, 342

steigender Generationsgrad 24, 235, 237, 240

SPM 289

stereogene Zentren 160

Spülphase 321

stereoselektiv 214, 247

stabilisieren 67, 240, 256

stereoselektive

Stabilisierungseffekt 198

- Polymerisationen 177

Stabilität

- Reaktion 177, 246

- des Katalysators 259 - gegen Photooxidation 192

stereoselektiver Prozess 258

starburst

Stereoselektivität 257

- dense packing 26

stereospezifisch 44

- limit effect 26, 92

Stereozentren 49, 50, 160, 169, 173, 296

- Dendrimere 14 - Grenzeffekt 26 - limited generation 14 Starpharma 334

sperrige Dendrons 40

starre

- Drehwerte Į 171, 295

- Wirt/Gast-Wechselwirkung 161, 170

Stapel 260

Sperrgruppen 9, 220, 237

- Drehung 161

- des Dendrimers 292

spitze Klammern 32

starr 226, 258, 284, 287, 292, 322

spezifische

STE 280

- Oberfläche 221 - Systeme 258 Starrheit 306, 308

steric overcrowding 235 sterisch - abschirmend 198 - anspruchsvoll 175, 239

166, 170,

- anspruchsvolle Dendrons 170, 249 - gehindert 339 sterische - Abschirmung 64, 192, 246

388

Sachverzeichnis - Selektivität 251, 322

- Abstoßung 244, 246

Stossionisations-MS 281

-/elektronische Abschirmung 257

Strahlungs-Emission 188

Succinimid-Ester 101

strahlungslose Desaktivierung 187

Suffix 30, 31

- Effekte 26, 332 - Hinderung 54, 92, 115, 142, 164, 176, 177, 226

strahlungsloser Energietransfer 188

- Überhäufung 235

Streckmittel 322

- Bildung 56

- Umhüllung 219, 220

Streu

- Dendrimere 284

Sulfid-Oxidationen 259 Sulfonamid 66, 114

- Einheiten 283

- und Philie-Effekte 88

- daten 285, 288

- Verdichtung 229

- intensität 285

Sulfonimide 57

- Wechselwirkungen 237

- techniken 285

Sulfonylchloride 78, 87

- Zugänglichkeit 246

- winkel 285

Sulfoxide 259

- zentren 285

Summenformel 144

sterischer Einfluss 248 sterisches 178

Ineinandergreifen

steuern 56, 62, 88 Steuerung der Selbstorganisation 223 Steuerungsmechanismus 288 Steuerungsmöglichkeiten 206 Stickstoff-Liganden 259 Stilben 251, 309 - Gruppen 72

Superbase 73

Struktur- Aktivitäts-Beziehungen 281

Supertriptycen 106

- aufklärung 161, 278, 284

supramolekulare

- defekte 277, 282

39, 40, 92, 275,

- Dendrimere 223, 224

- /Eigenschafts-Beziehungen 260, 348 - perfekte Dendrimere 277, 306, 307

27,

- Reaktivitäts-Beziehungen 288

stilbenoid 113, 115

Strukturelle Präzision 306

stilbenoide Chromophore 112, 315

Stufenwachstums-Polymerisationstechnik 132

Stille-Reaktion 230

Styren 6, 54, 217, 251, 309

Stimulated Echo 280 Stimuli 181 STM 10, 124, 125, 289, 290, 292, 299

- divinylbenzen-Copolymer 54 Subnanometerbereich 289 Substanz - bibliotheken 44

- /AFM-Spitze 55

- gemisch 271, 277

Stokes-Verschiebung 186 Stopper 220, 237, 238, 239 - Bausteine 51 Störung 178, 179, 180, 181

- mengen 285, 296 substituierte heit 261

- Komplexe 49 - Methode 221 - Regioselektivität 50 - starburst-Situation 235 - Synthese 7, 48, 59 - Synthesestrategie 63 - Synthese von Dendrimeren 48 - Wechselwirkungen 222, 205, 220

79,

supramolekularer - Austausch 313 - Dendrimer-Aufbau 85

- /AFM-Aufnahmen 55

Stokes-Einstein-Gleichung 280

- Chemie 5, 237

Benzen-Kernein-

Substrat - Bindung 244, 255

- Selbstaufbau von Dendrimeren 51, 224 supramolekulares - Dendrimer 223 - Wirt-Gast-System 250 Supramoleküle 222 surface-block dendrimers 41

389

Sachverzeichnis Suzuki- analoge Aryl-Aryl-Kupplung 115, 127 - Kreuzkupplung 71 - Polykondensation 54 Symmetrie-verboten 187

- von PAMAM-Dendrimeren 100 - von Polyether-Dendrimeren 118 - weg zu einem Silan-Dendrimer 133 Synzyme 317

syn/anti 257 Synchronisationseffekte 181

- funktionelle Gruppen 20 - Gruppen 21, 26, 74, 76, 83, 121, 211, 222, 228, 229, 241 Terphenyl 108 Terpyridin - Kerneinheit 152 Liganden 151

T1 187

synchronisiert 179

- Stopper 238

Synchroton 285

- Wert 281

tert-ButylbenzensulfonsäureEinheiten 96 tert-Butyloxycarbonyl-Schutzgruppen 103

Synergie 312

T2 238, 239, 240

Synthese

TADDOL 249

tertiäre Aminogruppen 229, 234

Tandem-MS 282

Tetraarylsilan 130

tapered side chains 54

Tetraazacyclotetradecan 201

Tb 49

Tetrabenzoporphyrin 323

Tecto-Dendrimere 223

Tetrabromfluorescein 227

Teilchenvolumen 285

Tetrachlorfluorescein 229

TEM 10, 292, 293

Tetracyclon 109, 110

- automaten 44 - dendronisierter Polymere 52, 53

linearer

- der Carbosiloxane 138 - des Supertriptycens 106 - eines Glycopeptid-Dendrimers 123 - eines POMAM-Dendrimers 94, 101 - hyperverzweigter Polymere 51 - kontrolle 282 - methoden für dendritische Moleküle 44 - monodisperser Dendrimere 66 - schritte 27, 43, 51 - sequenz 12, 38, 42, 101, 112, 140, 146 - strategie 16, 38 - variante 40 - von Dendrimeren 14, 21, 38, 48 - von Dendrimeren höherer Generation 41 - von dendronisierten Methacrylaten 54

207,

- Aufnahme 293

Tetraeder 20

- Aufnahmen von Dendrimeren 293

tetra-ethinylierte 109, 111

Kerneinheit

Temperatur 59, 167, 178, 250, 265, 278

tetrafunktionelle 93, 100

Kerneinheit

temperiert 274

Tetrahydrofuran 215, 272

Templat 217, 218, 320, 339, 342

Tetralactam

Terbium(III) 148 terminale - Aminogruppen 65, 92, 94, 332 - Bor-Atome 102, 337 - Carboxylat-Gruppen 126, 127 - Cobaltocenium-Einheiten 96 - COOH-Gruppen 75 - Ferrocen-Einheiten 216 - Funktionalitäten 41

- Reif 238 - Ring 338, 339 Tetramethoxysilan 137 Tetramethylammoniumcarboxylate 232 Tetraphenylporphyrine 334 Tetrasilane 133 theoretische - Abhandlungen 16 - Analysen 288 - Berechnungen 169, 288

390

Sachverzeichnis

- Modelle 288

Tolan-Einheiten 196

- Betrachtungen 24

Tolan-System 114

trans-Stilben-Chromophore 107

Therapeutika 102, 176, 319

Toluen 6, 293

Trennleistung 177, 272, 274, 278

therapeutisch aktive Einheiten 121

TON 248, 250, 251, 252, 259

Trennsäule 274

Toner 311 Tonermaterialien 311

Trennung von 274, 275, 278

Topographie 199, 290

Trennungs-

thermische Stabilität 308 Thermo - dynamik 179, 181 - lumineszenz 185 - stabilität 106, 132, 135 Thienyllithium 137 Thin-Layer 272

Chromatography

Thioharnstoff 66 Thiole 250, 309 Thionylchlorid 141 Thiophen- Bausteine 137 - Dendrimere 292 - Ringe 137 Thiophenyl-Endgruppen 67 threading 237 Threitol 173

- probleme 46

topologisch - chiral 160, 164, 275 - chirale Elemente 168

Total Correlation Spectroscopy 280

Triazol-Dendrimer 44

Toulouse 17

Toxizität 102, 121, 146, 330, 331, 332

Trichlorthiophosphor 146

- dendritischer Systeme 64

- für Katalysatoren 10, 241, 308 - material 44, 45, 252, 275, 278, 308

Triethylenoxymethylether-Ketten 255 Triflat-Derivate 133 Trifluoressigsäure 103

Transfektions-

- Reagenz 332

tip 289, 290

- Vermögen 129

TLC 272

Triethylamin 142 Triethylenglykolmonomethylether-Dendrons 170

Träger 258

- Effizienz 332

Titrationen 201, 204, 237

Trifluorsulfonsäure 133, 135, 201, 202 trifunktionelle Kerneinheit 98 triglycosiliert 121 Trihydroxy

Transfer chiraler Information 258

- amin 121

Transmetallierung 242

- acetophenon 281

Transmissions-Elektronenmikroskopie 10, 292, 293

Tri-isopropyl-Schutzgruppen 109

Transport von Farbstoffen 234

Trimesinsäure 171

Transport von Wirkstoffen 121

- Kern 28

Transporter 332

- Kerneinheit 328

TOCSY 280 Tokio 17

Transportsysteme 11, 330

Tochter-Dendrons 75

End-

Tricarbonsäure-Kerneinheit 121

Ti(O-iPr)4 246

Titan-TADDOL-Komplexe 249

Triazol-funktionalisierte gruppen 66

Toxin 136, 137

- Agenzien 128

- dichlorid-Endgruppen 141

Triarylamine 70 Triazin-Gruppen 342

- Einheit 172, 173

Titanocen 309

- strich 6

Torsionswinkel 164

- Bausteine 172

Tissue-Engineering 335

Dendrimeren

120, 121, 331,

Triol 121 Triphenylbenzen-Gruppen 315

391

Sachverzeichnis Triplett-TriplettEnergietransfer 227 Triplett-Zustand 187, 227, 333 Tris(4’-(hydroxyphenyl)ethan 117

Übersichten 5, 36, 58, 59, 61, 88, 154, 156, 157, 158, 182, 183, 210, 266, 267, 268, 270, 343, 344, 345, 346 Übertragung 122, 178 - von Chiralität 179

Vaginal-Microbicid 334 van-der-Waals- Abstand 312 - Wechselwirkungen 291

Tris(bipyridin)-RutheniumKomplexe 47, 80, 191, 197

Uhrzeigersinn 169, 305

Variationsmöglichkeiten 134, 143, 307, 311

Tris(brommethyl)benzen 337

Ultrafiltration 308, 310

VCD 168

Tris(diethylaminomethyl)benzen 129

Umesterung 67

Ve 276

umgekehrte Polarität 331

Vehikel 332

Umhüllung 219, 220, 245, 250

Ventile 338

Umkehrosmose 310

Verästelungen 18, 19, 35, 314, 328, 348

Tris-kronenether-Sensor 327

Umkehrphasen-Chromatographie 271

Verbrückungen 27

Trityl-Gruppen 238

Umkehrpunkte 181

Verdichtung 26, 109, 116

Tritylphenol-Stopper 238, 239

Umlagerungen 72, 169

- der Oberfläche 229, 241

Tryptophan-Einheiten 175

Ummantelung 63, 80, 133, 259

- der Peripherie 229

Tumor

Umsatzzahlen 248, 251

Tris(hydroxymethyl)methanKerneinheit 162, 163 Tris(tetraethylenoxy)benzoylEinheiten 229

Verdünnung der Aktivität 298

optischen

- ansteuerung 337

Umweltanalytik 328

- bekämpfung 333

unimolekulare Micellen 232

- gewebe 331, 333, 337

unregelmäßiges Wachstum 27

Verformung 312

- zelle 331, 333, 337

Unreinheiten 146

Verformungsverhalten 312

unsymmetrische

Vergleichssubstanz 246

tunen 64 Tunnelstrom 289, 290

- Dendrons 76, 84

tweezering 237

- PAMAM-Dendrimere 99 unterschiedliche Generation 165, 241, 244, 326

Übergänge 186 Übergangsmetall 147 - Ionen 47, 63, 128

unvollständige Umsetzung 40

Verdünnungseffekt 162 des

Vernetzer 217 Vernetzungs - komponente 312

UV/vis-

- reaktionen 51

- Absorptionsspektrum 296

Vero Toxin 136

- momente 296

- Detektor 276

verstärkte

UV-

Überlappkonzentration 288

- Licht 70, 192, 193

Überlappung

- Strahlung 190

- der Orbitale 189

201, 202,

Verknäuelungen 27

Uranylacetat 293

- Spektralbereich 166, 185

Komplexes

Verkapselung 313, 314, 331

- Komplexe 47, 87, 150, 242, 308

Überlappen der Wellenfunktionen 196

108,

- Cotton-Effekte 168, 169 - Lumineszenz 197 - Dichroismus-Effekte 168 Verstärkung - chiraler Information 179

392

Sachverzeichnis vibronische 186

- der Lumineszenz 197

vielarmig 6, 12

vorhergehende Generation 33

- des CD-Signals 164

vielarmige Gottheiten 18

- des Drehwerts 297

Vielarmigkeit 29

Vorläufer-Dendrimer 71, 73

- physikalischer und chemischer Effekte 16

vielfach verzweigte (dendritische) Gebilde 18

Versteifung von Polymerfäden 55 Verteilungseffekte 272 Verträglichkeit 342 Verunreinigung 46, 277, 279, 282 Vervielfältigung 64, 323 Verweilzeiten 272 Verzerrungen 133 verzweigte - Katalysatoren 248 - Moleküle 12, 51 - Verbindungen 22 Verzweigung 13, 18, 20, 24, 30, 36, 56, 98, 100, 125, 134, 142, 145, 151, 168, 201, 204, 211, 220, 232, 255, 313, 348

Energieniveaux

vorfunktionalisierte monomere Bausteine 87

- der Fluoreszenzintensität 324

vierflügelige Dendrons 177 vierte Generation 42, 46, 48, 69, 95, 96, 109, 140, 141, 142, 146, 194, 221, 225, 228, 230, 232, 233, 241, 284, 287, 288, 334, 337, 339 vierte 202

POPAM-Generation

66, 85,

VP 285

wachsende Dendrimer-Generation 297 wachsende Generation 64, 251 Wachstum von Dendrimeren 50, 277 Wachstumsdaten 92 Waschen 45

vierte und fünfte Generation 206 Vinyl 54, 134, 144 Vinylcyclohexenoxid 252 Vinylgruppe 54 Viologen 236, 237

Wasser - kaskade 35 - löslich 15, 66, 73, 127, 128, 191, 229 - lösliche Dendrimere 126, 215

- Gäste 223

- lösliche Polycarborane 73

- Gastmolekül 237, 241

- löslicher Xanthen-Farbstoff 229

- Kern 240 Virus-Oberfläche 335

Verzweigungsviskos 312

- löslichkeit 80, 121, 146, 198, 235, 260 Wasserstoffbrücken

- atome 30 - bausteine 71

Viskosität 21, 22, 23, 62, 64, 306, 312

- Bindungen 50, 79, 176, 225, 255, 256, 262, 284, 298

- defekte 27

Viskositätsverhalten 185

- Bindungsbildung 57

- einheit 7, 21, 22, 26, 29, 31, 38, 39, 40, 42, 50, 51, 68, 69, 109, 160, 223, 224

Visualisierung 289, 318

- Wechselwirkungen 98, 222

- generationen 38

VivaGel 334

- gerüst 8, 82, 84, 159, 162, 173

Volumenschwund 312

- multiplizität 22

- von Blutgefäßen 17, 329

Volumina 291

von

Wasserstoffperoxid 2, 322 Wasserstoff-Technologie 191

Dendrimeren

wässrige - Dendrimer-Lösung 313 - Lösung 232, 233, 234, 318

- punkte 135, 145, 148, 151

voluminöse Dendron-Substituenten 237

- stellen 12, 20, 31, 32, 33, 121

voluminösere Z-Form 228

wässriges Medium 255, 260, 311

- typ 92

von außen nach innen 15, 47, 116, 196

Wechselwirkung

- Phase 255 229, 230,

393

Sachverzeichnis - über größere Entfernungen 178

Wirt->Gast-Energietransfer 226

- von Dendrimeren 286

Wirt-

- Porphyrin-Heptamer 327 Zirconocen 309 Z-Isomer 205, 338

Wechselwirkungspartner 190

- Dendrimer 79, 229, 298

Wechselzahlen 251

- eigenschaften 233

weiche Dendrimere 291, 292

- einheiten 223

Weichmacher 277

- gerüst 130

Weinsäure 168

- hohlraum 225, 234, 235

Weiterleitung chiraler Störungen 180

- molekül 9, 224, 229, 262, 320

- Gast 170

Weiterleitung 167

- substanzen 217, 320

- Sensor 325

- verbindung 96, 205, 223, 225, 227, 228, 235, 241, 306, 321

- Template 217

der

Chiralität

Weiterverarbeitungs-Eigenschaften 316 weiträumige Wechselwirkungen 189, 194

Witterungsbeständigkeit 6, 312 Wundheilung 335

Wellenlängenbereich 281, 296 Xanthen-Farbstoffe 229

Wildtyp-Viren 332

Xerox Corp. 311

Williamson-Ether-Kupplung 162

Z/E-Rückreaktion 201

Wirkstoffe 16, 44, 66, 121, 319

Z-Cascade 29

Wirkstoff-Freisetzung 288

zehnte Generation 92

Wirkstoff-Träger 162

Zelltoxizität der Dendrimere 66

120,

Wirt 98, 104, 170, 227, 231, 235, 233, 250, 340

- Beziehungen 236 - Chemie 22, 205, 211, 217 - Komplexe 280 - Systeme 250, 280

Zentraleinheit 20, 64 zentrochirale Einheiten 169 Zentrum von Dendrimeren 64

Wirt/Gast-

28, 162, 226,

Zersetzung 106, 259, 342 zerstörungsfrei 285, 296 Z-Form 204, 227, 228 Zink

225, 226, 240,

- Wechselwirkungen 9, 13, 161, 170, 190, 193, 220, 221, 223, 225, 231, 232, 280

Zn(CF3SO3)2 204 ZnII 255 Zucker- Einheiten 176

Zugänglichkeit der Kerneinheit 64 Zugänglichkeit innerer Gruppen 72 zunehmender Generationsgrad 21, 196, 243

Wiederholungseinheit 54, 68, 70, 71

Wirkstoff-Transporter 121

Z-Konfiguration 205, 338

- Komplex 126, 199, 246 - Komplex des Cytochroms C 126 - Porphyrine 264

zurückgewonnen 248, 296, 309 Zusammenstöße 94, 219 Zweig 32, 33 40, 99, 103, 134, 136, 148, 150, 168, 176, 253, 284, 297, 298, 332 Zweikomponenten-Gelator 49 Zweiphotonen-Marker 147

146,

Zweistufen-Synthese 116 Zweistufen-Methode 42 zweite Generation 18, 33, 34, 42, 44, 46, 72, 73, 77, 96, 102, 110, 114, 117, 124, 133, 134, 162, 163, 164, 174 zweite Verzweigungseinheit 42 Zwiebelschalen 146 Zwischenstufen 38, 146, 338 Zwitter 109 zylindrische Form 55