DE69824624T2

DE69824624T2 - Kombiniertes verfahren zur herstellung von kaskadepolymeroberflächen

Info

Publication number: DE69824624T2
Application number: DE69824624T
Authority: DE
Inventors: R. George NEWKOME; N. Charles MOOREFIELD
Original assignee: University of South Florida
Current assignee: University of South Florida
Priority date: 1997-11-19
Filing date: 1998-10-14
Publication date: 2005-06-23
Anticipated expiration: 2018-10-15
Also published as: EP1032604A4; CA2310666C; ATE269369T1; EP1032604A1; US5886127A; WO1999025750A1; EP1032604B1; DE69824624D1; CA2310666A1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf hochverzweigte Moleküle, die eine dreidimensionale Morphologie besitzen. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Kaskadepolymere als Moleküle an sich oder als Oberflächen, die auf verschiedenen Substraten angebracht sind. Solche Moleküle und Substrate finden Anwendung auf Gebieten wie Detergentien, Radiologie, Bindestellen für die Abgabe von Arzneistoffen, polyfunktionelle Basen und andere Anwendungsgebiete.
Technischer Hintergrund der Erfindung
Die US-Patentanmeldung Serial No. 08/626,395, angemeldet am 2.04.1996, offenbart ein Verfahren zur Synthese von mehrschaligen Kaskadepolymeren (multi-tier cascade polymers), sowie das Beschichten von Substratoberflächen unter Anwendung einer neuen Familie von trifunktionellen Isocyanaten. In Fortsetzung ihrer früheren Arbeiten unter Einsatz von dendrimeren Monomerbausteinen zum Aufbau von Kaskadepolymeren einer vorbestimmten internen und externen Architektur haben die Anmelder begonnen, einige der möglichen Anwendungen der neuen Isocyanatbausteine zu erkennen und weiter zu verwirklichen. Die früheren Arbeiten der Anmelder zur Bildung von Kaskadepolymeren beschränkten sich auf die Kupplung einer Säure (dendritische Termini) mit einem Amin. Im Bemühen, über diese relative begrenzte Kombination hinauszugehen, demonstrierten die Anmelder die einfache Umwandlung des einzigartigen, sterisch geschützten "Beheras Amin" zum entsprechenden Isocyanat durch Behandlung mit Triphogen (im Handel erhältlich von Aldrich Chemical Co., Katalog #33,075.2, bezeichnet als "Bis-(trichlormethyl)carbonat") in Gegenwart von Triethylamin [Newkome und Weis, 1996].
Die Isocyanatmonomere sind ausgezeichnete Bausteine oder Baugruppen für die Verwendung bei der Umwandlung und Einführung von Oberflächenfunktionalität entweder bei einem im Aufbau befindlichen Kaskadepolymer oder bei Substratoberflächen allgemein. Die Isocyanatmonomere ermöglichen auch einen raschen iterativen Schalenaufbau. Das heißt, die Schichtung von Schalen oder Schichten auf eine Oberfläche oder um ein vorhandenes Kaskadepolymer herum kann unter Verwendung der Isocyanatmonomeren relativ rasch ausgeführt werden. Vorläufige Auswertungen durch die Anmelder haben die leichte Reaktion von Beheras Isocyanat mit aminterminierten Polypropylenimin-Dendrimeren der Generationen 2 bis 5 (8, 16, 32. bzw. 64 Termini) bei Verwendung von t-Butanol als Lösungsmittel gezeigt [Wörner und Mülhaupt, 1993; de Brabander-van den Berg und Meijer, 1993]. In diesem Fall stellt die Reaktion des Beheras Amin-Isocyanat-Bausteins mit den Polypropylenimin-Dendrimeren die Bildung eines neuen Dendrimers dar, wobei man die von Wörner und Mülhaupt beschriebenen Dendrimere als Startkerne verwendet. Dies bestätigt das Potential des Monomers zur Reaktion mit nukleophilen Gruppen und gestattet einen angemessenen Einblick in das Reaktionspotential für andere gehinderte Isocyanatbausteine. Stöchiometrische Reaktionen führen zur Isolierung von reinen (95% oder mehr) oberflächenmodifizierten Dendrimeren ohne Nebenprodukte. Diese Materialien können nach und nach freigelegt (von Schutzgruppen befreit) und weiterer Bearbeitung unterworfen werden.
Im Hinblick darauf gibt es deutliche Beweise, dass die Bausteine auf Isocyanatbasis eingesetzt werden können, um übli che Materialien zu "dendrimerisieren", die eines oder mehrere saure Protonen oder eine oder mehrere nukleophile Stellen besitzen. Beispiele solcher Substrate umfassen auf Siliciumdioxid basierende Substanzen, funktionalisierte klassische Linearpolymere, funktionalisierte klassische Mizellen, Mikrogele, Kugelpolymere und, wie durch Reaktion mit den Polypropylenimin-Dendrimeren gezeigt, Kaskadepolymere. Solche Oberflächenschichten oder -filme sind für die Schaffung thermisch und chemisch stabiler Beschichtungen nützlich. Daher können diese Beschichtungen als Schutzschichten auf Kleidung, anderen Geweben, Metalloberflächen, Verbundmaterialien, Halbleitermaterialien oder dergleichen verwendet werden. Modifizierung der Oberflächeneigenschaften wie der Benetzbarkeit ist ebenfalls möglich.
Biologische Moleküle werden häufig durch Synthese und Durchsuchen von großen Sammlungen ("Bibliotheken" genannt) identifiziert. Solche Verfahren werden allgemein vom humoralen Immunsystem angewendet, das einige 10¹² Antikörpermoleküle erzeugen und durchsuchen kann, um eines, das ein fremdes Pathogen spezifisch erkennt und bindet, zu identifizieren. Die Entwicklung katalytischer Antikörper war eine der ersten Anwendungen solcher molekularer Bibliotheken in der Chemie. Andere solche Verfahren wurden auch für Erzeugung und Durchsuchen großer Populationen biologischer Moleküle in vitro auf Bindung, Katalysatoren oder beides entwickelt. Große Bemühungen wurden der Anwendung dieser "kombinatorischen Bibliotheken" gewidmet. Solche Bibliotheken werden durch Kombination einer großen Zahl von Vorstufen erzeugt.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die weitere Fortentwicklung der Anwendung von Monomeren, die normalerweise bei der Herstellung von Kaskadepolymeren verwendet werden und spezieller auf stabile multifunktionalisierte Isocyanate in Kombination mit kombinatorischer Chemie zur Bereitstellung neuer Oberflächenschichten auf Substraten. Das heißt, durch die vorliegende Erfindung wird das Potential zur Schaffung und Anwendung neuer "kombinatorisch" hergestellter Materialien ausgebeutet. Es wird ein Fortschritt in der Chemie der Kaskadepolymer-Dendrimere abgeleitet, wobei kombinatorische [Xiang et al., 1995] Verfahren des dendritischen Aufbaus Monomergemische mit unterschiedlichen Zusammensetzungen verschiedener Monomere (bevorzugt auf Basis Isocyanat) für die Bildung aufeinanderfolgender Schalen verwenden.
Zusammenfassung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Bildung einer Oberflächenschicht auf einem Substrat durch Anheften eines Gemisches verzweigter Monomere auf dem Substrat bereitgestellt, wobei die Monomere heterogen funktionalisierte Zweige und homogene Bindungsfähigkeit (connectivity) an das Substrat haben.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein mit Kaskadepolymer beschichtetes Molekül bereit, das im wesentlichen aus einem eine Oberfläche umfassenden Substrat und mindestens einer dendrimerisierten Schicht, die aus heterogenen Funktionalitäten besteht und durch homogene Bindungen mit dem Substrat verknüpft ist.
Eingehende Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung sind leicht erkennbar, weil diese anhand der folgenden eingehenden Beschreibung bei Betrachtung in Verbindung mit den beigegebenen Zeichnungen besser verstanden werden, in denen:
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäß hergestellten kombinatorisch begründeten dendritischen Aufbaus von Dendrimeren ist;
2 eine schematische Darstellung von erfindungsgemäß hergestellten hydrolytischen, kombinatorisch begründeten dendritischen Materialien ist;
3 Beispiele für alkylisocyanatbegründete dendritische Bausteine zeigt;
4 den Vergleich der ¹³C-NMR-Spektren für Dendrimere homogener Oberfläche mit Ester-, Cynan- und Siloxangruppen und die entsprechenden kombinatorisch begründeten Dendrimere mit erster Schicht zeigt;
5 den Vergleich der ¹³C-NMR-Spektren von carbamat- und benzyletherbeschichteten Dendrimeren mit dem entsprechenden Erstschichtmaterial und einzigartigen Zweitschichtdendrimeren zeigt;
6 einen Aufbau eines "doppelschichtigen" kombinatorisch begründeten Dendrimers zeigt.
Eingehende Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt ein mit Kaskadepolymer beschichtetes Molekül und ein Verfahren zu dessen Bildung bereit. Das Verfahren umfasst allgemein die Schritte Dendrimerisieren eines Gemischs verzweigter Monomere auf einem Substrat, wobei die Monomere heterogen funktionalisierte Zweige und homogene Bindungsfähigkeit zum Substrat haben.
Der Begriff "Substrat" ist im Abschnitt über den Stand der Technik in der vorliegenden Anmeldung genauer definiert und wird hier allgemein verwendet. Das Substrat kann ein Kernmolekül sein, wie man es in klassischen, kleinen, auf Kohlenstoff gründenden Molekülen findet, die Nukleophile wie Stickstoff besitzen, oder ein ausgedehntes Kaskadepolymer mit einem Oberflächenbereich, der dann nach dem erfindungs gemäßen Verfahren dendrimerisiert wird. Solche Kaskadepolymere in Form unimolekularer Mizellen sind eingehend offenbart in den US-Patenten 5,154,853 und 5,206,410, beide den Anmeldern der vorliegenden Erfindung erteilt. Beispiele solcher Substrate sind Substanzen auf Basis Siliciumdioxid, funktionalisierte klassische lineare Polymere, funktionalisierte klassische Mizellen, Mikrogele, Kugelpolymere wie auch mehrfach oder einfach funktionalisierte anorganische und organische Moleküle. Beispiele solcher Moleküle sind Polysiloxane, Polysaccharide. Ganz allgemein kann die vorliegende Erfindung eingesetzt werden, um jedes übliche Material, das ein oder mehrere saure Protonen besitzt, zu "dendrimerisieren".
Der Begriff "Dendrimerisierung" oder "dendrimerisieren" bezieht sich auf das Anbringen von Monomeren, die an reaktive Oberflächengruppen chemisch binden, in der Art von Schalen oder Schichten. Wie oben festgestellt, ist der gemeinsame Nenner bezüglich der reaktiven Oberflächengruppen auf dem Substrat, dass die reaktiven Gruppen ein saures Proton umfassen. Daher umfasst der die vorliegende Erfindung kennzeichnende Dendrimerisierungsschritt das Anheften von mindestens einer Monomerschicht oder von mehreren Monomerschichten an eine reaktive Oberfläche. Man kann daher sagen, dass die reaktive Oberfläche dendrimerisiert wird. Da auf den meisten üblichen Materialien nukleophile funktionelle Gruppen zu finden sind, hat die vorliegende Erfindung breite Anwendungsmöglichkeiten als Mittel zum Beschichten oder zum Bilden einer Oberflächenschicht auf einer großen Vielfalt von Substraten. Da das erfindungsgemäß verwendete Monomer, wie in der oben zitierten, auch anhängigen Patentanmeldung USSN 08/626,395 beschrieben, eine große Vielfalt von Funktionalitäten haben kann, kann die vorliegende Erfindung einen breiten Anwendungsbereich haben, wobei sie einer Oberfläche einer großen Menge von Substraten einen großen Bereich von gewünschten Eigenschaften verleiht. Mit anderen Worten, der Umfang der Nützlichkeit der vorliegenden Erfindung ist enorm.
Wie oben festgestellt, ist das erfindungsgemäße Verfahren durch den Schritt der Dendrimerisierung eines Gemischs verzweigter Monomere auf einem Substrat gekennzeichnet. Die verzweigten Monomere sind bevorzugt multifunktional (bevorzugt trifunktionalisiert) und besitzen stabile Isocyanatgruppen. Solche Isocyanate sind in der oben zitierten anhängigen Patentanmeldung USSN 08/626,395 eingehend beschrieben. Chemisch können solche Isocyanate durch die Formel O=C=N-C(CH₂-R)₃ gekennzeichnet werden, wobei R aus der Gruppe ausgewählt ist, die

a) -CH₂-CH₂-COOR' ,
b) -O-CH₂-CH₂-COOR' ,
c) -O-CH₂-CH₂-CN oder
d) -CH₂-CH₂-O-R''

₂

₃

₂

Durch Nutzung des Lösungswegs der kombinatorischen Chemie ist die vorliegende Erfindung gekennzeichnet durch den Schritt der Dendrimerisierung des Gemischs von verzweigten Monomeren auf dem Substrat, wobei die Monomere heterogen funktionalisierte Zweige und homogene Bindungsfähigkeit zum Substrat haben. Die an die Oberflächenschicht des Substrats dendrimerisierten Monomere sind nicht eine homogene Charge mit nur einer Funktionalität, sondern vielmehr ein Gemisch verschiedener Monomere mit unterschiedlich funktionalisierten Zweigen. Einige der Monomere können Carboxyltermini haben, einige Alkoholtermini, einige Estertermini. Daher besitzt das resultierende beschichtete Substrat eine Kaskadepolymerbeschichtung, die im wesentlichen aus der Substratoberfläche mit wenigstens einer aus heterogenen Funktionalitäten bestehenden dendrimerisierten Oberflächenschicht besteht, die durch eine Reihe homogener Bindungen mit dem Substrat verknüpft ist. Verwendet man die bevorzugten Isocyanat-Bausteine, dann haben die homogenen Bindungen die Formel Nu-CO-N-H wobei Nu = Nukleophil. Die Anwendung der vorliegenden Erfindung nutzt also das kombinatorische Verfahren des dendritischen Aufbaus durch Verwendung von Bausteingemischen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen verschiedener Monomere auf Isocyanatbasis für die Bildung aufeinanderfolgender Schalen. Die vorliegende Erfindung kann zur Bildung einer einzelnen Oberflächenschicht oder von mehreren Schalen in einer Expansion nach Art des Kaskadepolymers genutzt werden. Die vorliegende Erfindung kann als "kombinatorische Expansionschemie" bezeichnet werden, weil kombinatorische Chemie für eine immer weiter expandierende Bildung von Schichten oder Schalen genutzt wird. Mit der Bildung weiterer Schalen wird die Funktionalisierung der Oberfläche dichter wegen der Multiplizität des Dendrimerprozesses.
Im erfindungsgemäßen Prozess können für jede Schale identische Gemische mit derselben Monomerzusammensetzung verwendet oder die Zusammensetzung kann geändert werden. Auch kann das kombinatorische Schalenwachstum gemeinsam mit dem Standardaufbau eingesetzt werden, bei dem eine einheitlich zusammengesetzte Schale hinzugefügt wird.
Der Lösungsweg der kombinatorischen Chemie liefert so ein Gemisch aus Oberflächenfunktionalitäten. Dieses Gemisch von Oberflächenfunktionalitäten spiegelt das Mischungsverhältnis der im erfindungsgemäßen Dendrimerisierungsschritt benutzten verzweigten Monomere wider. Das heißt, beim Dendrimerisierungsschritt wird das Substrat mit dem Monomerengemisch umgesetzt, das ein vorbestimmtes Verhältnis der Funktionalitäten der Bestandteile hat. Die dendrimerisierte Oberfläche wird gebildet und umfasst eine Schicht von Monomeren, die aus einem Gemisch von Funktionalitäten in demselben vorbestimmten Verhältnis wie das des umgesetzten Monomerengemischs besteht. Daher kann die Natur der Funktionalitäten auf jeder beliebigen Oberfläche durch Formulierung des bei der Bildung dieser Schicht verwendeten Monomerengemischs vorbestimmt werden.
Genauer gesagt kann der Dendrimerisierungsschritt als Umsetzen des Monomerengemischs mit der Substratoberfläche weitergehend definiert werden, wobei das Monomerengemisch aus Verbindungen der Formel OCN-☐ besteht, wobei -☐ ein Gemisch geschützter Funktionalitäten ist und mindestens einige der geschützten Funktionen komplementäre Schutzgruppen besitzen.
Die Bindung A-CO-NH- wird zwischen der Substratoberfläche und jedem der Monomere gebildet. Die komplementär geschützten Gruppen werden dann freigelegt und es resultiert eine heterogene Oberflächenschicht, welche das heterogene Gemisch der ungeschützten Funktionalitäten wiedergibt. Dementsprechend setzt der erfindungsgemäße kombinatorische Schalenaufbau in demselben Stadium des Molekülwachstums komplementäre Schutz- und Freilegungsstrategien ein. Dies steht im Gegensatz zu Verfahren des Standes der Technik, die aus der traditionellen stufenweisen Schutz- und Freilegungsbehandlung hervorgehen. Die vorliegende Erfindung leitet sich von einem Schalenaufbau unter Verwendung eines Gemischs (jeder gewünschten Zusammensetzung) von funktionell kompatiblen Monomeren in gleicher Monomerbindungsfähigkeit, bevorzugt auf Isocyanatbasis, ab.
Hinsichtlich der oben benutzten Begriffe wird der Begriff "geschützte Funktionalität" im üblichen chemischen Sinn gebraucht. Das heißt, während des iterativen Prozesses müssen die endständigen Funktionalitäten der Monomere geschützt werden, um deren unzeitgemäße Reaktion zu verhindern. Wenn eine weitere Verzweigung oder Schalenbildung oder eine Freilegung der Funktionalitäten erwünscht sind, werden die Schutzgruppen durch dem Fachmann bekannte Mittel von den Zweigen abgespalten, um die Funktionalitäten freizulegen. Eine Abwandlung der vorliegenden Erfindung benutzt Funktionalitäten auf verschiedenen Monomeren, die alle komplementär sind, so dass alle geschützten Gruppen freigelegt werden können. Eine unten beispielhaft angegebene alternative Ausführungsform ist es, wenn einige der Funktionalitäten nicht komplementär sind und daher nicht freigelegt werden. "Komplementär" wird hier in seiner bekannten Bedeutung benutzt, die sich auf Schutz oder Schutzgruppen bezieht, die an unterschiedlichen Monomeren für derselbe Reaktion "logisch" ausgewählt werden. Wird die Freilegung einer oder mehrerer gewünscht, dann werden die logisch ausgewählten anderen Gruppen nicht stören oder beeinträchtigt sein. In dieser Weise geht die weitere Schalenbildung von den freigelegten und nicht von den geschützten Zweigen aus. So können innere Funktionalitäten auf kürzer verzweigten Armen geschaffen werden, die geschützt wurden und während des iterativen Prozesses auch geschützt bleiben, jedoch, falls gewünscht, in einem späteren Schritt freigelegt werden können.
1 veranschaulicht eine Abwandlung oder Ausführungsform des erfindungsgemäßen kombinatorischen Prozesses. "Diversifizierte" Oberflächenfunktionalität und Schalenkonstruktion unter Verwendung eines generischen Dodekaamindendrimers (1) wird durch Behandlung mit einem "stöchiometrisch korrekten" Gemisch dreier verschiedener Isocyanatmonomere mit komple mentären Schutzgruppen erwirkt. In diesem Beispiel besteht das Gemisch aus
33% Trisnitril
42% eines Triacetats
und 25% tris-t-Butylester.
Diese Reaktion führt zu Dendrimeren, wie beispielhaft durch Verbindung 2 in 1 angegeben, welche eine neue Generation oder Schicht mit einer Zusammensetzung der Oberfläche gleich der des Monomerengemischs besitzen. Unterwirft man die so abgeleiteten multifunktionellen Dendrimere einer basischen Umesterung [Plattner et al.] unter Verwendung von Kaliumcarbonat und Ethanol und einer Reduktion mittels Raney-Nickel [van Gendersen, 1994; Domingeuz et al., 1961] oder Kobalt [Wörner und Mülhaupt, 1993; de Brabander-van den Berg und Meijer, 1993], dann werden die Alkohol- und Amintermini nacheinander freigelegt, die maskierten Carbonsäuren bleiben unversehrt und man erhält den Polyaminoalkohol, Verbindung 3, in 1. Wiederholung dieses Vorgehens unter Verwendung von Isocyanatmonomergemischen unterschiedlicher Zusammensetzung ergibt die zweite Generation Mehrkomponentendendrimer wie das Dendrimer 4 in 1.
Das kombinatorische Verfahren ist gut geeignet für die Modifikation von Superstruktureigenschaften und Architektur von Dendrimeren und geeigneten funktionalisierten Materialien. So können ausgeprägte leere Bereiche oder Hohlräume in das verzweigte Fachwerk eingearbeitet werden, die für solche Prozesse wie Hydrolysereaktionen von Gastmolekülen eingesetzt werden können, vorausgesetzt, dass im Hohlraum oder nahe dabei eine angemessene hydrolytische Funktionalität eingearbeitet wurde. Der rasche Aufbau und das Durchsuchen von Materialien mit unterschiedlicher Zusammensetzung erfolgt nach Protokollen sehr ähnlich jenen, die heute für das Durchsuchen kleiner Molekülbibliotheken (gewöhnlich pharmazeutische) eingesetzt werden [Carell et al., 1994 und 1995], obwohl auch hydrolytische Prozesse wie als Dendrimer 5 in 2 gezeigt ausgebeutet werden.
Das kombinatorische Material hat das Potential, die Dendrimereigenschaften auf völlig unerwartete Weise zu beeinflussen. Dies wird durch Oberflächenmodifikation einer homogenen Oberfläche in ein heterogenes Makromolekül erreicht, das als ein "Heterodendrimer" bezeichnet wird. Dieser Begriff bedeutet ein unsymmetrisches Dendrimer (14 in 6) mit einer vielgestaltigen Oberfläche. Die Oberfläche kann mannigfaltige Funktionalität sowie individuell unterschiedliche Eigenschaften haben. Das heißt, die Termini haben eine heterogene Verteilung der terminalen Gruppen.
Wie hier in Beispiel 4 gezeigt, können solche Heterodendrimere unerwartete Eigenschaften hervorbringen. Das durch Freisetzung der Aminogruppen am in 6 gezeigten Dendrimer 13 erhaltene Polyamin-Dendrimer zeigt amphiphiles Verhalten. In einem zweiphasigen System, beispielsweise Metha nol/Wasser und Chloroform, zeigte das Heterodendrimer zumindest etwas Löslichkeit in beiden Phasen. Dies ist ein Beispiel für die Fähigkeit der flexiblen breiten Arme des Dendrimers, lösliche Gruppen in die Lösung auszustrecken und zu drehen, während wenig oder gar nicht lösliche Gruppen in die molekulare Superstruktur zurückgezogen werden.
Durch Änderung des Verhältnisses und der Art der funktionellen Gruppen an den Termini kann das Verhalten des Heterodendrimers in die gewünschten Abwandlungen konstruiert werden. Beispielsweise ist ein Heterodendrimer mit einem 75:25-Gemisch von Amino- und Benzylgruppen an der Oberfläche mit Wasser völlig mischbar und in Chloroform unlöslich, während ein Heterodendrimer mit einer Oberflächenschicht mit einem 25:25-Gemisch von Amino- und Benzylgruppen die Löslichkeit umkehrt.
Als Anwendungen für solche konstruierte und maßgeschneiderte Materialien wird unter anderem die Fähigkeit zum Inkorporieren neuer Additive zur Modifizierung der Eigenschaften (wie Zähigkeit, Härte, Oxydationsbeständigkeit, Flexibilität) von Beschichtungen auf Wasser- und Kohlenwasserstoffbasis erwogen. Diese Materialien können auch als Additive für Kunststoffe, Kunstharze, Gläser, Fasern und Verbundmaterialien eingesetzt werden. Da das kombinatorische Verfahren Mischbarkeit und Löslichkeit der Substrate im gesamten Bereich der flüssigen Medien, von wässrig bis zu Kohlenwasserstoffen ermöglicht, können Substrate, die zu Gasteinschlüssen fähig sind, als 'universelle Mizellen' betrachtet werden. Man zieht auch in Betracht, dass die Diffusionseigenschaften üblicher Materialien wie Kunststoff für Gas, Flüssigkeit und Festkörper über die Einarbeitung von Materialien auf kombinatorischer Basis verändert werden können.
Mit Rücksicht auf dieses kann ein mit Kaskadepolymer beschichtetes Molekül aufgebaut werden, das im wesentlichen aus einem Substrat mit einer Oberfläche und mindestens einer dendrimerisierten Oberflächenschicht besteht, die aus heterogenen Funktionalitäten besteht, und die mit dem Substrat durch homogene Bindungen verknüpft ist. Bevorzugt sind zumindest einige der Funktionalitäten freigelegt und mit dem Substrat über eine Bindung der Formel -CO-NH verknüpft.
Die Substratoberfläche kann funktionelle Gruppen umfassen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die von stabilen trifunktionellen Isocyanaten abgeleitet ist. Die Gruppen können aus Aryl-, Alkyl- und Aralkylalkoholen, Carboxylen, Estern und anderen reaktiven Gruppen mit saurem Proton bestehen.
Die vorstehende Erfindung ist auf verschiedenen Gebieten der Oberflächenbeschichtung und Polymerherstellung nützlich. Beispielsweise kann die vorliegende erfinderische Synthese zur Gewinnung von Schutzüberzügen, wie hydrophile Beschichtungen für Gewebe wie Filter, Krankenhaushemden, Operationsvorhänge angewendet werden. Durch Steuerung der funktionellen Termini der Monomere können auf einer erfindungsgemäß hergestellten funktionalisierten Oberfläche unterschiedliche Grade der Hydrophobizität erhalten werden. Daher kann die Benetzung der Oberflächen gesteuert werden, so dass superfeuchte und supertrockene Materialien gebildet werden. Gleichermaßen können Schutzüberzüge gebildet werden, die heterogene Funktionalitäten aufweisen. Daher können heterogene Funktionalitäten in oder auf Oberflächen mit verschiedenen katalytischen Stellen inkorporiert werden, wie in der ebenfalls anhängigen Patentanmeldung USSN 08/280,591 offenbart. Dadurch kann auf der Oberfläche des Moleküls eine Reihe von Reaktionen durchgeführt werden.
Versuchsbeispiele
Beispiel 1
Einzelne Umsetzung der Isocyanatmonomere (1–5, wie in 3 gezeigt) mit der vierten Schale des 32-Aminoterminierten Polypropylendendrimers [deBrabander-van den Berg und Meijer, 1993; Wörener und Mülhaupt, 1993] (DSM 32 PPI) unter Rückfluss in t-BuOH oder Dichlormethan lieferte (> 90%) die entsprechenden 96-terminierten Ester- (6), Cyan- (7), Siloxan- (8), N-t-BOC- (9) und Benzylethermakromoleküle (10), wie in 4 und 5 gezeigt. Die Bildung dieser Kaskadenreihe wird durch einfache ¹³C-Off-Resonance-NMR-Spektren wie in 4 (6–8) und 5 (9 und 10) dargestellt, bestätigt. In jedem aufgezeichneten Spektrum wurden die vorherrschenden und erwarteten Hauptabsorptionen gefunden, die den kovalent angehefteten 1→3-verzweigten Monomeren entsprechen [z. B., (δ) 6; 172,7 CO, 80,0 C(CH₃), 27,9 CH₃: 7; 118,4 CN, 69,8, 65,9 CH₂OCH₂, 18,8 CH₂CN: 8; 63,6 CH₂O, 26,0 C(CH₃)₃, 18,2 C(CH₃)₃, –5,2 Si(CH₃)₂: 9; 156,5 CO, 78,9 C(CH₃)₃, 28,3 C(CH₃)₃: 10 138,6, 128,4, 127,6, 127,4 (C, Aryl), 72,8 (CH₂C₆H₅), 71,0 (CH₂ CH₂O)], Die den Superstrukturen auf Iminbasis zugeordneten Peaks erscheinen verbreitert und weniger intensiv [z. B., (δ) 6; 52,0 CH₂CHCH₂, CH₂CH₂CH₂ CH₂, 51,0 CH₂CH₂CH₂NHCONH] wie erwartet (Tabelle 1).
Tabelle 1: ¹³C NMR-Daten der neuen Verbindungen (die Indizes bezeichnen Absorptionen, die von bestimmten Einheiten stammen)
6 δ 172,7 (CO); 157,9 (NHCONH); 80,0 (C(CH₃)₃); 56,0 (C _4°); 52,1 (CH₂CH₂CH₂ CH₂, CH₂CH₂ CH₂); 51,0 (CH₂CH₂CH₂NHCONH); 37,8 (CH₂NHCONH); 30,2, 29,5 (CH₂CH₂CO₂, CH₂CH₂NHCONH); 27,9 (C(CH₃)₃); 24,2 (CH₂ CH₂ CH₂CH₂, CH₂ CH₂CH₂): 7 δ 158,2 (NHCONH); 118,4 (CN); 69,8, 65,9 (CH₂OCH₂); 58,9 (C _4°); 52,0 (CH₂CH₂ CH₂, CH₂CH₂CH₂ CH₂); 51,0 (CH₂CH₂CH₂NHCONH); 38,3 (CH₂NHCONH); 29,6 (CH₂ CH₂ CH₂CH₂); 27,4 (CH₂CH₂NHCONH); 23,8 (CH₂ CH₂CH₂); 18,8 (CH₂CN): 8 δ 158,2 (NHCONH); 63,6 (CH₂O); 56,7 (C _4°); 52,2 (CH₂CH₂ CH₂, CH₂CH₂CH₂ CH₂); 51,0 (CH₂CH₂CH₂NHCONH); 38,0 (CH₂NHCONH); 32,0 (CH₂CH₂CH₂O); 29,0 (CH₂ CH₂ CH₂CH₂); 26,9 (CH₂CH₂O); 26,0 (C(CH₃)₃); 25,0 (CH₂CH₂NHCONH); 24,2 (CH₂ CH₂CH₂); 18,2 (C(CH₃) ₃ ); –5,2 (Si(CH₃)₂): 9 δ 158,7 (NHCONH); 156,5 (CO); 78,9 (C(CH₃) ₃ ); 57,0 (C _4°); 52,4 (CH₂CH₂ CH₂); (CH₂CH₂CH₂ CH₂); 51,4 (CH₂CH₂CH₂NHCONH); 41,2 (CH₂ CH₂NH); 37,9 (CHNHCONH); 33,3 (CH₂CH₂CH₂); 29,8 (CH₂CH₂NHCONH); 28,7 (C(CH₃) ₃ ); 23,9 (CH₂ CH₂CH₂, CH₂ CH₂ CH₂CH₂): 10 δ 158,2 (NHCONH); 138,6 (C ₁-Aryl); 128,4 (C ₂-aryl); 127,6 (C ₃-aryl); 127,4 (C ₄-aryl); 72,8 (CH₂C₆H₅); 71,0 (CH₂ CH₂O); 56,9 (C _4°); 52,3 (CH₂CH₂CH₂ CH₂, CH₂CH₂ CH₂); 50,9 (CH₂CH₂CH₂NHCONH); 37,7 (CH₂NHCONH); 32,1 (CH₂CH₂CH₂O); 28,2 (CH₂CH₂NHCONH); 23,8 (CH₂ CH₂CH₂O): 11 und 12 δ 172,8 (CO_[BA]); 157,8, 157,6 (NHCONH_{[BA,
Si, CN]}); 118,3 (CN); 80,1 (C(CH₃)_3(BA)); 69,9, 65,8 (CH₂OCH_2[CN]); 63,5 (CH₂O_[Si]); 58,9 (C _4°[CN]); 56,0 (C _4°[BA]); 51,5 (CH₂CH₂ CH_2[DSM]), CH₂CH₂CH₂ CH_2[DSM]), CH₂CH₂CH₂NHCONH_[DSM]); 38,8 (CH₂NHCONH_[DSM]); 32,0 (CH₂CH₂O[Si]); 30,3, 29,6, 28,0 (CH₂ CH₂CO₂, C(CH₃)_3[BA]); 25,9 (C(CH₃)_3[Si]); 24,2 (CH₂ CH₂CH_2[DSM]); 18,7 (CH₂CN_[CN]); 18,2 (C(CH₃)_3[Si]); –5,3 (Si(CH₃)₂); 13 δ 158,5 (NHCONH[_N-t-BOC,
BE]); 156,4 (CO_[N-t-BOC]); 138,7 (C ₁-aryl_[Be]); 128,6 (C ₂-aryl_[Be]); 127,8 (C _3,4-aryl_[Be]); 78,9 (C(CH₃)_3[N-t-BOC]); 72,9 (CH₂C₆H_5[BE]); 71,0 (CH₂ CHO_[BE]); 57,0 (C _{4°[N-t-BOC,BE]}); 52,4 (CH₂CH₂CH₂ CH_2[DSM], CH₂CH₂ CH_2[DSM]); 51,4 (CH₂CH₂CH₂NHCONH_[DSM]); 41,2 (CH₂ CH₂NH_[N-t-BOC]); 37,9 (CH₂NHCONH_[DSM]); 33,2 (CH₂CH₂CH_2[N-t-BOC]); 32,3 (CH₂CH₂CH₂O_[BE]); 28,8 (C(CH₃)_3[N-t-BOC]); 23,9 (CH₂ CH₂CH_2[N-t-BOC] CH₂ CH₂ CH₂CH_2[DSM]): 14 δ 173,1 (CO_[BA]); 158,2 (NHCONH_{[BA,CN,N-t-BOC,BE]}) ; 156,5 (CO_[N-t-BOC]); 138,7 (C ₁-Aryl_[BE]); 128,5 (C ₂-Aryl_[BE]); 127,7 (C _3,4-Aryl_[BE]); 118,7 (CN_[CN]); 80,5 (C(CH₃)_3[BA]); 78,9 (C(CH₃)_3[N-t-BOC]); 72,9 (CH₂C₆H_5[BE]); 71,1 (CH₂ CH₂O_[BE); 70,1, 66,0 (CH₂OCH_2[CN]); 57,1, 56,2 (C _{4°[BA,CN,N-t-BOC,BE]}); 51,4 (CH₂CH₂ CH_2[DSM], CH₂CH₂CH₂ CH_2[DSM], CH₂CH₂CH₂NHCONH_[DSM]); 41,1 (CH₂CH₂CN_[CN]); 38,3 (CH₂NHCONH_[DSM]); 33,2 (CH₂CH₂CH_2[N-t-BOC]), CH₂CH₂CH₂O_[BE]); 32,2, 29,9 (CH₂ CH₂CO₂ _[BA]); 28,7, 28,3 (C(CH₃)_{3[BA,N-t-BOC]}), 23,8 (CH₂ CH₂CH₂ _[N-t-BOC,BE], CH₂ CH₂ CH₂CH_2[DSM]) 18,9 (CH₂CN_[CN]).
(Ende Tabelle 1)
Beispiel 2
Das weitere Potential zur Ausbeutung der Bindefähigkeit der Monomere auf Isocyanatbasis wurde nachfolgend durch Behandlung des 32-PPI-Dendrimers mit Monomerengemischen untersucht, die aus insgesamt 32 Äquivalentne Triester (1), Trinitril (2) und Trisiloxan (3) bestanden. Insbesondere ergab die Schalenbildung unter Verwendung von Gemischen der zugehörigen Äquivalente der Bausteine (1), (2) und (3) [(0,5, 0,1 und 0,4) bzw. (0,7, 0,15 und 0,15)] die entsprechenden 'kombinatorisch begründeten' Dendrimere (11) und (12) (3).
Die Beweisführung für die Bildung dieser chromatographisch gereinigten und peripher heterogenen Dendrimeren umfasste die Beobachtung der Spektren (¹³C-NMR) aller in den Spektren der analogen, peripher homogenen Makromoleküle (6–8) sich zeigenden passenden Signale. Genauer gesagt zeigen die Spektren jeder Kaskade mit gemischter Oberfläche Signale bei 172,8, 118,3, 80,1, 63,5, 51,5, 18,7 und –5,3 ppm entsprechend den Gruppen CO_[BA], CN, C(CH₃)_3[BA], CH₂O_[Si], CH₂ CH_2[DSM], CH₂CN bzw. Si(CH₃)₂. Das beobachtete schwache und etwas verbreiterte Auftreten der Absorption bei 157,8 und 157,6 ppm (NHCONH_BA,Si,CN) legt eine relativ starre Oberfläche nahe, die durch Wasserstoffbrücken von Harnstoff und Anhäufung der Termini gefördert wird.
Beispiel 3
6 veranschaulicht das Konzept des kombinatorischen Wachstums in Beziehung zum Aufbau von Dendrimeren mit vielgestaltiger Oberfläche, beispielsweise behandelt man das DSM 32-PPI-Dendrimer mit einem Gemisch aus je 16 Äquivalenten der Monomere mit N-t-BOC (4) und Benzylether (5) und erhält in Dichlormethan am Rückfluss das heterogene Makromolekül 13. Nach Isolierung und Reinigung wurde die Struktur des neuen Heterodendrimers 13 durch ¹³C-NMR bestätigt (5, Tabelle 1), welches die relevanten Signale enthielt, die in den Spektren der beiden entsprechenden homogenen Makromoleküle (9 und 10) auftauchen. Die Hauptsignale wurden bei (ppm) 138,7, 128,6, 127,8 (C-Aryl_[BE]), 78,9 C(CH₃)_3[N-t-BOC] beobachtet.
Entfernung der BOC-Gruppen (HCO₂H) und nachfolgende Umsetzung der freien Amine mit einem Gemisch aus den Isocyanatmonomeren (1), (2) und (4) [0,375, 0,25 bzw. 0,375 Äquivalente] ergab das funktionell diverse dendritische Material 14. Die Verifikation der Struktur des unsymmetrischen Dendrimers 14 wurde durch ¹³C-NMR unterstützt (5), welche die erwarteten Peaks bei 173,1 (CO[BA]), 156,5 (CO_[N-t-BOC]), 138,7, 128,5, 127,7 (C-Aryl_[BE]), 118,7 (CN), 80,5 (C(CH₃)_3[BA]), 78,9 (C(CH₃)_3[N-t-BOC]), 72,9 (CH₂C₆H_5[BE]), 28,7, 28,3 (C(CH₃)_{3[N-t-BOC,BA]} , 18,9 (CH₂CN_[CN]) enthüllte. Analog werden ähnliche Signale bei den homogenen Makromolekülen (6), (7), (9) und (10) beobachtet. Kombinatorische Materialien höherer Generationen können leicht durch weitere selektive Freilegung der funktionellen Gruppen und nachfolgende Behandlung mit irgendeinem Gemisch kompatibler Monomere auf Isocyanatbasis aufgebaut werden.
Um die Möglichkeit zu demonstrieren, die Dendrimereigenschaften wie Konformitätsänderungen durch Modifikation der Oberflächengruppen zu beeinflussen, zeigte das durch Freisetzung der Aminogruppen auf dem Dendrimer 13 (50:50-Gemisch von N-t-BOC und BE) erhaltene Polyamindendrimer amphiphiles Verhalten. Es ist beispielsweise in MeOH gut löslich und löst sich sowohl in H₂O als CHCl₃ nur teilweise. In den deuterierten Lösungsmitteln CDCl₃ bzw. D₂O verkleinern und verbreitern sich die von den Amino- oder Benzyletherarmen stammenden ¹³C-NMR-Schlüsselsignale. Das kann man erklären, wenn man erwägt, dass Oberflächengruppen mit Termini, die Solvatation begünstigen, sich ausstrecken und frei rotieren, während Gruppen mit ungünstigen Wechselwirkungen zum Lösungsmittel in die molekulare Superstruktur eingezogen und zurückgefaltet werden, wo es weniger Bewegungsfreiheit gibt. Gitsov und Frechet [1993 und 1996] haben ein analoges Verhalten beim Anheften von dendritischen Keilen an Polyethylenglykol-Sternpolymere beobachtet. Eine Abwandlung dieses Verhaltens kann durch Änderung des Verhältnisses der funktionellen Gruppen auf der Dendrimeroberfläche erreicht werden. Beispielsweise ist ein 75:25-Gemisch von Amino- und Benzylethereinheiten mit H₂O vollkommen mischbar und in CHCl₃ unlöslich.
Die Erfindung wurde auf anschauliche Art beschrieben und es versteht sich, dass die verwendete Terminologie ihrer Art nach als Beschreibung und nicht als Beschränkung gedacht ist.
Offensichtlich sind im Licht der oben gegebenen Lehre viele Abwandlungen und Veränderungen der vorliegenden Erfindung möglich. Es verseht sich daher, dass die Erfindung im Bereich der beigefügten Ansprüche anders als im einzelnen beschrieben ausgeführt werden kann.
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Claims

Amphiphiles Heterodendrimer, bestehend aus einem Kernmolekül und einem Gemisch von sich von diesem erstreckender Verzweigungsarme, welches ein Gemisch verzweigter Monomere, welche durch eine Isocyanatreaktion dendrimerisiert sind, umfasst.
Amphiphiles Heterodendrimer, bestehend aus einem Kernmolekül und flexiblen Armen, die sich von diesem zu eine äußere Oberfläche definierenden drehbaren Enden verzweigen, wobei die Enden unterschiedlich löslich sind und wobei die in einem äußeren Gemisch löslichen Enden sich von dem Kern erstrecken und drehbar sind, während die in einem äußeren Gemisch nicht löslichen Enden kontrahiert, zu dem Kern hin gefaltet und eingeschränkter drehbar sind.
Amphiphiles Heterodendrimer gemäß Anspruch 2, beinhaltend ein Gemisch terminaler Gruppen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aminen, Benzylethern, Carboxylen, Alkoholen, Siloxanen, Estern, Acetaten, Cyanaten, Thiolen, Sulfiden, Sulfaten, Phosphinen, Phosphaten, Ammonium, Amiden, Amidinen, Nitroxyl, Nitrat, Nitroso, Alkyl, Alken, Alkin, Aryl und Aralkyl.