Forschungsbericht 2006 - Max-Planck-Institut für Kohlenforschung

Foldamere zum Design organischer Nanoröhren und intelligenter Transporter

Foldamers for the Design of Organic Nanotubes and Smart Transporters

Autoren
Hecht, Stefan
Abteilungen

Synthetische Organische Chemie (Prof. Dr. Manfred Reetz)
MPI für Kohlenforschung, Mülheim an der Ruhr

Zusammenfassung
Ein vielversprechender, bio-inspirierter Ansatz, um funktionale nanometergroße Objekte realisieren zu können, basiert auf hierarchisch organisierten Kettenmolekülen – Foldameren – als Bausteinen mit definierter Form und Größe. Die Synergie von kovalenter und nicht-kovalenter Synthese ermöglicht die Herstellung von funktionalen Foldameren, die hinsichtlich ihres Faltungsverhaltens und ihrer Strukturbildung untersucht werden können. Unter Ausnutzung des reversiblen Helix-Knäuel-Übergangs konnten wir kürzlich sowohl organische Nanoröhren mit kontrollierbaren Dimensionen und adressierbaren Oberflächenfunktionalitäten als auch photoschaltbare Transporter zur örtlich und zeitlich kontrollierten Freisetzung herstellen.
Summary
A promising bio-inspired approach to realize functional nanometer-sized objects is based on hierarchically organized chain-like molecules – foldamers – as building blocks of defined shape and size. The synergy of covalent and non-covalent synthesis enables the preparation of functional foldamers, which can be investigated with regard to their folding behavior and structure formation. Utilizing the reversible helix-coil transition, we have recently been able to prepare organic nanotubes with controlled dimensions and addressable surface functionalities as well as photoswitchable transporters for spatially and temporally controlled release.

Einleitung

Die Erzeugung und Untersuchung winzigster Strukturen im Bereich von ca. 10-10 bis 10-8 m ist die zentrale Aufgabe der Nanowissenschaften, deren zunehmende kommerzielle Verwertung Wegbereiter für den rasanten Aufschwung der Nanotechnologie ist. Das wissenschaftliche Interesse gilt mehr denn je dem grundlegenden und detaillierten Verständnis der Eigenschaften von Materie im mikroskopischen Maßstab. Auf der Suche nach neuen Effekten und Phänomenen kommt der Chemie eine Schlüsselrolle zu, da sie sich per Definition mit Atomen und Molekülen, d.h. Materie im relevanten Größenbereich, beschäftigt.

Um funktionale nanometergroße Objekte realisieren zu können, müssen Wege zur effizienten Herstellung großer Moleküle bzw. definierter Molekülverbände entwickelt werden. Diese so genannten Makro- bzw. Supramoleküle besitzen jedoch den Nachteil, dass sie hinsichtlich ihrer Größe und ihrer Form nicht einheitlich vorliegen. Im Gegensatz dazu hat die Natur im Laufe der Evolution einen hierarchischen Konstruktionsplan (Abb. 1) entwickelt, um die von ihr benötigten hochkomplexen Nanoobjekte, wie z.B. Proteine, zu generieren. Hierbei wird ein Kettenmolekül (Peptid) über eine Templat-kontrollierte Polymerisation hergestellt, und die spezifische Abfolge der Monomereinheiten (Aminosäuren) bestimmt die Faltung in entsprechende Sekundärstrukturelemente, die sich zu Überstrukturen anordnen. Somit bestimmen schwache Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Wiederholungseinheiten die Strukturbildung und somit die Gestalt des resultierenden Makromoleküls.

Hierarchischer Konstruktionsplan zum Design funktionaler Nanoobjekte in der Natur am Beispiel der Proteine (oben) und im Labor an ausgesuchten Beispielen der makro- und supramolekularen Chemie (unten).

Foldamere sind synthetische Makromoleküle, die in Analogie zu ihren natürlichen Vorbildern stabile Sekundärstrukturen in Lösung annehmen. Auf dem sich in den letzten Jahren rasant entwickelnden Gebiet der Biomimetik werden grundlegende Beiträge zum Verständnis von Faltungsprozessen und den darin involvierten Wechselwirkungen erarbeitet und darauf aufbauende Anwendungen, z.B. in der Sensorik und Katalyse, entwickelt. In unserer Arbeitsgruppe beschäftigen wir uns in den letzten Jahren mit der Nutzung helikaler Foldamere zur Herstellung von organischen Nanoröhren mit kontrollierbaren Dimensionen und adressierbaren Oberflächenfunktionalitäten und zur Realisierung photoschaltbarer Rezeptoren („Wirte“) als intelligente Transporter zur kontrollierten Freisetzung von z.B. Wirkstoffen („Gäste“).

Organische Nanoröhren auf Basis helikaler Foldamere

Inspiriert durch die hierarchische Strukturbildung in der Natur, haben wir in unserer Arbeitsgruppe einen konzeptionell neuen Ansatz entwickelt, um organische Nanoröhren zu synthetisieren (Abb. 2). Hierbei führt die Polymerisation geeigneter funktionaler Monomerbausteine zum Polymerstrang (Primärstruktur), der sich in eine geordnete helikale Konformation faltet (Sekundärstruktur) und nach kovalenter intramolekularer Vernetzung und innerer/äußerer Postmodifizierung eine adressierbare Nanoröhre definierter Dimension und Funktion ergibt. Unser Konzept profitiert zum einen von der Population der thermodynamisch stabilsten, d.h. perfekten, helikalen Struktur getrieben durch (reversible) nicht-kovalente Wechselwirkungen und zum anderen vom kinetischen Einfrieren der Helixstruktur mithilfe (irreversibler) kovalenter Bindungen.

Organische Nanoröhren und Nanodrähte auf Basis intramolekular stabilisierter helikaler Foldamere – Konzept und synthetische Realisierung.

Zur Realisierung des Konzeptes wurden bezüglich der einzelnen Projektphasen neue synthetische Methoden entwickelt und mithilfe verschiedener Methoden untersucht:
– Phase 1 – Polymerisation: Mithilfe einer neu entwickelten Übergangsmetall-katalysierten Polykondensationsroute konnte die Synthese von verschieden verknüpften und vor allem strukturperfekten (keine Diin-Defekte!) Poly(phenylenethinylen)en mit respektablem Polymerisationsgrad und möglichst schmaler Molekulargewichtsverteilung realisiert werden.
– Phase 2 – Faltung: Verschiedenste helikal faltende Rückgrate auf Basis diverser Monomereinheiten wurden entwickelt und die entsprechenden Polymere hinsichtlich ihrer Faltungseigenschaften charakterisiert. Auf Basis dieser systematischen Untersuchungen können wichtige Parameter wie die Helixstabilität und die Händigkeit der chiralen Nanoröhren kontrolliert werden.
– Phase 3 – Vernetzung: Anfänglich wurden geeignete dimere und polymere kovalente Vernetzungsreaktionen entwickelt, allerdings bedingt die kovalente Bindungsbildung neben der erwünschten Stabilisierung immer auch eine gewisse strukturelle Deformation. Aus diesem Grunde wurde erfolgreich eine nicht-kovalente intramolekulare Vernetzung entwickelt, wobei die helikalen Nanoröhren durch Einführung von Wasserstoffbrücken in die Seitenketten dramatisch stabilisiert werden können.

An den anschließenden Projektphasen, insbesondere der oberflächenspezifischen Funktionalisierung der Nanoröhren wird derzeit intensiv gearbeitet und des Weiteren werden neue funktionale Foldamerfamilien entwickelt.

Intelligente Transporter auf Basis photoschaltbarer Foldamere

Während die Natur in Proteinen meist Helices ohne nutzbaren Innenraum, wie z.B. α-Helices, verwendet, so benutzt sie in doppelsträngiger DNS den Innenraum gezielt, um die kostbare genetische Information zu speichern. Unter Zuhilfenahme eines ähnlichen Ansatzes sollte der Innenraum eines hohlen helikalen Foldamers für Aufnahme, Transport und Freisetzung von Gästen, wie z.B. Wirkstoffen, geeignet sein. Ein solcher dynamischer Transporter bietet den Vorteil, dass sich seine Fracht mithilfe eines externen Auslösemechanismus, der die Entfaltung der Helix bewirkt, freisetzen lassen sollte. Als idealer Stimulus dient in diesem Falle Licht, das sich mithilfe von moderner Optik lokal und temporal gezielt dosieren lässt, womit eine Kontrolle des Ortes und des Zeitpunktes der Freisetzung ermöglicht wird. Unter anderem aus diesem Grund haben wir kürzlich einen ersten Prototypen eines photoschaltbaren Foldamers entwickelt (Abb. 3).

Örtlich und zeitlich adressierbare Transporter auf Basis photoschaltbarer Foldamere – Konzept und synthetische Realisierung.

Das Zentrum des Helixrückgrates bildet ein Azobenzolfarbstoff, der unter Bestrahlung mit UV-Licht eine räumlich stark veränderte Konformation einnimmt, die nicht mehr mit der Helixstruktur kommensurabel ist und somit zur Entfaltung führt. Die Helix bildet sich entweder durch Bestrahlung mit sichtbarem Licht oder bei Erwärmen wieder zurück. Die Struktur des photoschaltbaren Azobenzolkernbausteins als auch die Länge der beiden oligomeren Stränge muss genau bemessen sein, um den gewünschten Effekt zu maximieren. Eine erste erfolgreiche Verkapselung hydrophober Gastmoleküle (Terpene) konnte bereits demonstriert werden und derzeit werden polymere Analoga synthetisiert, um eine höhere Transporteffizienz zu erzielen. Weitere interessante Fragestellungen befassen sich mit der Dynamik des licht-induzierten Schaltprozesses im Makromolekül, wobei diese Frage konzeptionell dem Sehprozess im menschlichen Auge bzw. der Erzeugung chemischer Energie durch Sonneneinstrahlung in Bakterien verwandt ist.

Ausblick

Ohne jeden Zweifel kann und wird die moderne synthetische Chemie, die gezielt starke kovalente und schwache nicht-kovalente Wechselwirkungen zum Design nanometergroßer funktionaler Objekte einsetzt, viele wichtige Beiträge sowohl zum fundamentalen Verständnis elementarer Prozesse in der Natur als auch für bedeutende neue Entwicklungen im Bereich der Bio- und Nanotechnologie leisten. Hierzu stellt die Nutzbarmachung von Foldameren als Makromolekülen mit definierter Vorzugskonformation einen unverzichtbaren Schlüssel dar.

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