Simon Drescher

Synthese und physiko-chemische Charakterisierung einkettiger symmetrischer Bolaamphiphile

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt der Naturwissenschaftlichen Fakultät I der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 03.09.2008

Abstract
Bipolare Amphiphile (Bolaamphiphile) bestehen aus zwei hydrophilen Kopfgruppen, welche über einen lipophilen Spacer, in den meisten Fällen ein oder zwei lange Alkylketten, miteinander verbunden sind. Diese Grundstrukturen haben ihren Ursprung in den Membranlipiden verschiedener Archaebakterien. Diese Membranen zeichnen sich durch eine außergewöhnliche Stabilität gegenüber äußeren Einflüssen, wie Hitze, hohen Salzkonzentrationen, niedrigen pH-Werten oder strikt anaeroben Lebensbedingungen aus. Die für diese Beständigkeit verantwortlichen, zweikettigen Membranlipide bilden die fundamentale Strukturgrundlage für eine Vielzahl synthetischer Abwandlungen, welche in der Darstellung einkettiger, symmetrischer Bolaamphiphile resultiert. Das zunehmende Interesse an dieser Verbindungsklasse beruht außerdem auf ihrer Eigenschaft, im wässrigen Milieu zu unterschiedlichen Strukturen zu aggregieren sowie stabile und schaltbare Hydrogele zu bilden. So zeigt insbesondere das Dotriacontan-1,32-diyl-bis[2-(trimethylammonio)ethylphosphat] (PC-C32-PC) in wässriger Suspension bereits bei sehr geringen Konzentrationen von 1 mg/ml eine ausgeprägte Aggregationsneigung zu langen Fasern mit einem Durchmesser von ca. 5 nm. Diese Nanofasern sind imstande, über van-der-Waals-Wechselwirkungen miteinander zu vernetzen und somit ein stabiles, viskoses und transparentes Hydrogel auszubilden. Darüber hinaus sind diese Nanofasern in der Lage, oberhalb einer bestimmten Umwandlungstemperatur in kleine kugelförmige Mizellen zu zerfallen, was gleichsam eine Verflüssigung des Hydrogels nach sich zieht.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine große Anzahl von einkettigen, symmetrischen Bolaamphiphilen mit einer Kettenlänge von 22 bis 36 Kohlenstoffatomen sowie variabler Ketten- und Kopfstruktur synthetisiert. Für die Darstellung der hierfür notwendigen langkettigen 1,ω-Diole wurden zwei neue Synthesewege auf Basis der Grignard-Kupplung entwickelt und optimiert. Die sich anschließenden Phosphorylierungs- und Quarternierungsreaktionen erlaubten neben der Darstellung der Bis(phosphocholine) die Variation der Kopfgruppe in sehr weiten Bereichen: So konnten neben den analogen, pH-sensitiven Dimethylphosphoethanolaminen auch größere, substituierte Amine eingeführt werden, welche wiederum einen Ausgangspunkt für Folgereaktionen darstellten. Ein weiterer Gesichtspunkt der synthetischen Arbeiten bestand in der strukturellen Variation der Alkylkette. Hier konnten erfolgreich verschiedene Heteroatome, deuterierte Kettenabschnitte sowie polymerisierbare Acetyleneinheiten eingebaut werden.
Ein zweiter Aspekt der Arbeit beschäftigte sich mit der physiko-chemischen Untersuchung der von diesen Bolaamphiphilen gebildeten Aggregatstrukturen in wässriger Volumenphase. Unter Einbeziehung der Differential Scanning Calorimetry (DSC), der Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM), der Kleinwinkelneutronenstreuung (SANS) sowie der UV/Vis-Spektroskopie konnten die in Abhängigkeit von der Ketten- und Kopfgruppenstruktur, der Temperatur sowie des pH-Wertes gebildeten Aggregate verifiziert werden. Die gewonnenen Erkenntnisse trugen dabei maßgeblich zum Verständnis des komplexen Zusammenhanges zwischen Veränderung in der chemischen Struktur der Bolaamphiphile und den entsprechend dazu ausgebildeten Aggregatstrukturen bei.

Bipolar amphiphiles (bolaamphiphiles) are composed of two hydrophilic headgroups connected by a lipophilic spacer, mostly one or two long alkyl chains. The basic structure originates from the membrane lipids of certain species of archaea. These membranes are characterised by an outstanding stability to external influences like heat, high concentration of salt, low pH-values or strict anaerobic conditions of living. The lipids of the archaea membrane are responsible for such resistiveness and represent the fundamental scaffold for a huge number of synthetic variations resulting in symmetrical, single-chain bolaamphiphiles. Over and above, the increasing interest in these substances is based on the hydrogel-forming properties. In particular, the dotriacontane-1,32-diyl-bis[2-(trimethylammonio)ethylphosphate] (PC-C32-PC) shows - already at very low concentrations of about 1 mg/ml - a characteristic aggregation behaviour in aqueous suspension leading to long fibres with a cross section of approximately 5 nm. These nanofibres are able to crosslink via van-der-Waals interactions forming a stable, viscous and transparent hydrogel. Furthermore, the fibres disaggregate into small spherical micelles above a definite transition temperature also being associated to the liquefaction of the hydrogel.
In result, a huge number of symmetrical, single-chain bolaamphiphiles with an alkyl chain length of 22 to 36 carbon atoms as well as variable chain and headgroup structures were successfully and effectively synthesised. A couple of synthetic routes were developed and optimised in order to prepare the necessary long-chain 1,ω-diols. Subsequent phosphorylation and quarternisation reactions easily allowed on the one hand the synthesis of bis(phosphocholines) and on the other hand the headgroup variation in broad areas enabling the insertion of the pH-sensitive dimethylphosphoethanolamines and substituted ones for continuing reactions. Another part of the synthetic work were structural variations of the alkyl chain aiming on the insertion of several hetero atoms, deuterated chain segments and polymerizeable acetylene units, additionally.
The second main chapter of the thesis dealt with widespread physicochemical investigations of the aggregates built up by those novel bolaamphiphiles. Differential scanning calorimetry (DSC), transmission electron microscopy (TEM), small angle neutron scattering (SANS) and UV/Vis-spectroscopy were mainly used to characterise the aggregates in dependence on various chain and headgroup structures, alterations in temperature as well as in pH-value. The results significantly contributed to the understanding of the multifaceted interrelationship between the chemical structure of the bolaamphiphiles and corresponding aggregates in a fascinating way.

Keywords:
Bolaamphiphile, Lipide, Synthese, Grignard-Reaktion, physiko-chemische Charakterisierung, Neutronenstreuung, Nanofasern, Hydrogele

bolaamphiphiles, lipids, synthesis, Grignard-reaction, physicochemical characterisation, neutron scattering, nanofibres, hydrogels

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Inhaltsverzeichnis
Titelblatt, Inhaltsverzeichnis, Verzeichnis der Abkürzungen, Abbildungsverzeichnis, Tabellenverzeichnis (2, I-IX)
1 Einleitung und Zielstellung (1-5)
2 Synthetisch-präparative Arbeiten (6-56)
3 Physiko-chemische Charakterisierungen (57-81)
4 Zusammenfassung und Ausblick (82-85)
5 Experimentelles (86-132)
6 Literaturverzeichnis (133-140)
Anhang (i-xliii)
Liste der Veröffentlichungen