Systematic Investigations of the Anionic Ring Opening Polymerization of Polyglycerol and Synthesis of Functional Polyglycerol Sulfates

Abstract

The first part of this work was focused on fundamental investigations and modeling of the ring-opening multibranching (ROMB) polymerization of dendritic polyglycerol (dPG) in solution. With a better understanding of the mechanism, the reproducibility of the process and consequently the quality of the dPG should be increased. In order to reduce the complexity of the mechanism to a smaller amount of parameters, the main and side reactions were investigated individually. Pure glycidol was polymerized at different temperatures. This thermal polymerization, which is considered a side reaction, yielded large polymeric species with high dispersities in comparison to values from classical polycondensation reactions. The main ROMB polymerization, including initiator and base-catalyst was investigated by targeting three defined molecular weights. The acquired data sets from GPC and NMR characterization were subjected to extensive computer simulations using a simplified model of the ROMB polymerization mechanism. Based on the rate coefficients determined for the thermal polymerization of glycidol, the coefficients for the base- catalyzed main reaction, the intramolecular, and the intermolecular transfer reaction were determined. The thermal propagation was identified to contribute considerably to the polymer growth. The second part of this work focused on the structure-activity relationship of dendritic polyglycerol sulfates (dPGS) and inflammatory processes. From literature it is known that the size of the dPG scaffold and the sulfate group density on the surface influence the anti- inflammatory properties. In order to extend this knowledge with respect to the branching and flexibility of the scaffold, two dPG species with intermediate degrees of branching (DBs) were synthesized. The versatile toolbox system was manipulated by polymerization of defined monomer mixtures of glycidol and ethoxyethyl glycidyl ether (EEGE). The evaluation of the sulfated and/or dye labeled dPGS architectures was performed by cellular uptake studies with model cell lines, competitive SPR-based and blood compatibility assays. With constant molecular weight, degree of sulfation (DS), and surface charge, the conjugates performed differently, depending on the DB. Here, 60% was the ideal DB. The results presented in this work extend the knowledge of the structure- activity relationship of polyanions and especially dPGS. The third part of this work concentrated on the synthesis of potential nanocarriers based on dPGS. As hyperbranched polymers and especially dPG are well-known scaffolds for the synthesis of unimolecular nanocarriers, the toolbox was modified and six hydrophobically derivatized core-shell-type (CS) dPGSs were synthesized. The CS-structure was varied by using either a core-first or copolymerization approach, applying three phenyl-derivatized glycidol monomers and glycidol. Only the defined CS architectures with the hydrophobic bi-aromatic moieties exclusively located in the core were able to transport small amounts of the guest molecules Pyrene and ICC dye. The sulfated and dye-loaded architectures were able to enhance the cellular uptake of the ICC dye into model cell lines compared to the free dye. With the presented polymer architectures, it is possible to combine the unique anti-inflammatory properties of polyanions with supramolecular host properties of DDS.

Ziel der vorliegenden Arbeit war die Erstellung eines Modells der anionischen Ringöffnungspolymerisation von hyperverzweigten Polyglycerinen. Durch ein besseres Verständnis des zugrundeliegenden Reaktionsmechanismus kann die Reproduzierbarkeit und folglich die Produktqualität gesteigert werden. Hierbei wurde hauptsächlich der Einfluss der verschiedenen Haupt- und Nebenreaktionen hinsichtlich der resultierenden Molekulargewichtsverteilung individuell untersucht. Dadurch konnte die Komplexität des Modells in der Parametersimulation signifikant reduziert werden. Die thermische Polymerisation von Glycidol wurde bei drei verschiedenen Reaktionstemperaturen in Abwesenheit von Initiator und Basenkatalysator, durchgeführt. Über den als Nebenreaktion klassifizierten, thermischen Reaktionsweg konnten Polyglycerine mit hohen Molekulargewichten und breiter Verteilung hergestellt werden, die vergleichbar mit Werten aus den klassischen Polykondensationsreaktionen sind. Des Weiteren wurde die eigentliche Ringöffnungspolymerisation bei drei verschiedenen, definierten Molekulargewichten untersucht. Basierend auf den Daten der GPC- und NMR-Charakterisierung wurde ein vereinfachtes, computerbasiertes Modell der Polymerisation erstellt. Anhand dieses Modells konnten Reaktionskoeffizienten sowohl für die verschiedenen Reaktionswege der anionischen und thermischen Ringöffnung als auch für den intra- und intermolekularen Kationentransfer bestimmt werden. Obwohl der Koeffizient des thermischen Reaktionswegs kleiner ist als der des basenkatalysierten Hauptreaktionswegs, trägt die thermische Polymerisation signifikant zum Wachstum des Polymers bei. In einem weiteren Teil dieser Arbeit wurde das grundlegende Verhältnis zwischen Struktur und Aktivität von Polglycerinsulfaten in Entzündungsvorgängen untersucht. Hierbei wurde das etablierte, flexible Syntheseprotokoll modifiziert, um den Verzweigungsgrad des Polymergerüsts zu verändern. Über definierte Monomer-Mixturen/Mischungen von Glycidol und EEGE konnten Polyglycerine mit mittleren Verzweigungsgraden hergestellt werden. Die korrespondierenden Polyglycerinsulfate mit verschiedenen Verzweigungsgraden wurden hinsichtlich ihrer zellulären Aufnahme, der L-Selektin-Affinität und Blutkompatibilität charakterisiert. Hierbei zeigte sich, dass ein Verzweigungsgrad von 60% die optimale Polymer- Architektur darstellt. Die durchgeführte Studie trägt erheblich zum grundlegenden Verständnis von Entzündungsvorgängen und deren Prävention, mittels Polyglycerinsulfaten bei. Im letzten Teil dieser Arbeit wurden vielversprechende Polyglycerinsulfat-Nanotransporter hergestellt. Es ist bekannt, dass hyperverzweigte Polymere und speziell Polyglycerine überaus geeignete Polymergerüste für Nanotransporter darstellen und mittels Copolymerisation wurden drei hydrophobe Glycidol-Derivate in die Polyglycerin- Matrix eingebaut. Hierbei wurden drei Block-Copolymere über eine 2-Stufen- Synthese und drei statistisch-verteilte Copolymere über die Polymerisation definierter Monomer-Mixturen/Mischungen hergestellt. Die Bibliothek von sechs hydrophob-derivatisierten Polyglycerinsulfaten wurde hinsichtlich der Verkapselungseigenschaften der Gastmoleküle Pyren und Indocarbocyanin charakterisiert. Es zeigte sich, dass ausschließlich die definierten Kern- Schale-Architekturen mit bi-aromatischen, hydrophoben Gruppen genügend Amphiphilie besaßen, um ein Gastmolekül zu komplexieren und transportieren. Diese Systeme waren in der Lage, die zelluläre Aufnahme im Vergleich zu dem freien Indocarbocyanin-Farbstoff zu erhöhen. Die synthetisierten, hydrophoben Polyglycerinsulfate kombinieren die einzigartigen, entzündungshemmenden Eigenschaften der Polyglycerinsulfate mit supramolekularen Trägereigenschaften.