Biopolymers self-assemble generating dynamic and complex functional materials that carry out sophisticated tasks. Nature has been a source of inspiration for chemists to create artificial analogs that mimic biopolymer self-assembly. In contrast to peptides and DNAs, carbohydrates are less understood at the molecular level and therefore have rarely been employed as scaffolds to construct self-assembling materials using bottom-up approaches. To date, carbohydrates’ potential in supramolecular chemistry remains mostly untapped. In this thesis, I established structure-property correlations for oligosaccharides and then translated this knowledge into design principles to access self-assembling carbohydrate materials. The use of non-natural monosaccharides and bottom-up approaches were central to deeply understand and design synthetic carbohydrate materials. In Chapter 2, I developed synthetic routes to fluorinated monosaccharide building blocks (BBs) and employed these BBs to assemble a broad collection of complex fluorinated glycans using Automated Glycan Assembly (AGA). Fluorination was exploited as a method to manipulate the hydrogen bonds of cellulose, a polysaccharide with high propensity to crystallize. The subtle role of the substitution pattern and position of the fluorine atom was investigated using X-ray diffraction analysis (XRD). In the second part of Chapter 2, I explored the use of fluorinated glycans as NMR probes. First, 19F-labelled glycans served for structural analysis via NMR revealing the tendency of some oligosaccharides to adopt helical conformations. Last, 19F-labelled Lewis antigens, a class of biologically relevant glycans, were employed to study their binding to proteins and to monitor in real-time enzymatic reactions. In Chapter 3, I developed a bottom-up approach to study the self-assembly and the chirality of supramolecular carbohydrate materials. In the first part, I employed a simple disaccharide that self-assembles into helical fibers to study the transfer of chirality across scales. Site-specific modifications identified key non-covalent interactions stabilizing the assembly. In the second part, I translated the bottom-up approach to a more complex natural polysaccharide and used synthetic oligomers to understand chirality transfer across scales in cellulose. Synthetic D- and L-cellulose oligomers were found to assemble into platelets with controlled dimensions that further aggregate into bundles, displaying chiral features directly connected to their monosaccharide composition. The insertion of L-Glc units in the sequence of D-Glc cellulose oligomers drastically impacted macroscopic properties such as solubility, crystallinity, and chirality of bundles. In Chapter 4, I presented the rational design and synthesis of a glycan adopting a stable secondary structure, challenging the common belief that glycans are not capable of folding due to their flexibility. By combining natural glycan motifs, stabilized by a non-conventional hydrogen bond and hydrophobic interactions, I designed a glycan hairpin, a secondary structure not present in nature. AGA enabled rapid access to synthetic analogs, including site-specific 13C-labelled ones, for NMR conformational analysis. Structural analysis via NMR unequivocally confirmed the folded conformation of the synthetic glycan hairpin. This work demonstrates that it is possible to program glycans to adopt defined conformations in aqueous solution. Overall, the bottom-up approaches used in this doctoral thesis allowed for a deeper understanding of the principles dictating carbohydrate self-assembly. The work presented here opens the way to future explorations of glycans as scaffolds for self-assembly or to perform complex functions as catalysis.
Biopolymere sind selbstanordnende, dynamisch-komplexe Funktionsmaterialien, die bedeutende Aufgaben erfüllen. Für die Synthese künstlicher Analoga dienen der Wissenschaft die von der Natur genutzten Mechanismen der Selbstorganisation noch immer als Vorbild und Inspirationsquelle. Im Gegensatz zu Peptiden und DNA sind Kohlenhydrate auf molekularer Ebene bis jetzt nur wenig erforscht. Bisher wurden sie nur selten als Basis für selbstorganisierende Materialien mit Bottom-up-Ansätzen verwendet. Bis heute bleibt das Potenzial von Kohlenhydraten in der supramolekularen Chemie weitgehend ungenutzt. In dieser Arbeit habe ich Struktur-Eigenschafts-Korrelationen für Oligosaccharide erforscht und mit Hilfe dieser Designprinzipien gestaltet, die den Zugang zu selbstorganisierenden Kohlenhydratmaterialien ebnen. Dabei war die Verwendung nicht-natürlicher Monosaccharide und Bottom-up-Ansätze von zentraler Bedeutung, um ein tieferes Verständnis für die Entwicklung synthetischer Kohlenhydratmaterialien zu gewinnen. In Kapitel 2 entwickelte ich synthetische Wege zu fluorierten Monosaccharid-Bausteinen (BBs) und erschloss, unter zur Hilfenahme von Automated Glycan Assembly (AGA), eine breite Sammlung komplexer fluorierter Glykane. Die Fluorierung wurde als Methode zur Manipulation der Wasserstoffbrückenbindungen von Cellulose, einem Polysaccharid mit hoher Kristallisationsneigung, genutzt. Die Rolle des Substitutionsmusters und der Position des Fluoratoms wurde mit Hilfe der Röntgenbeugungsanalyse (XRD) untersucht. Im zweiten Teil von Kapitel 2 testete ich das Potential der fluorierten Glykane als NMR-Sonden. Zunächst dienten 19F-markierte Glykane zur Strukturanalyse mittels NMR, wobei die Tendenz einiger Oligosaccharide zur Annahme helikaler Konformationen deutlich wurde. Schließlich wurden 19F-markierte Lewis-Antigene, eine Klasse biologisch relevanter Glykane, zur Untersuchung ihrer Bindung an Proteine und zur Überwachung enzymatischer Reaktionen in Echtzeit eingesetzt. In Kapitel 3 entwickelte ich einen Bottom-up-Ansatz zur Untersuchung der Selbstorganisation und der Chiralität von supramolekularen Kohlenhydratmaterialien. Im ersten Teil konnte ich mit Hilfe eines einfachen Disaccharids, dass sich selbst zu spiralförmigen Fasern zusammensetzt, die Übertragung von Chiralität über mehrere Maßstäbe hinweg verfolgen. Durch ortsspezifische Modifikationen wurden wichtige nicht-kovalente Wechselwirkungen identifiziert, die den spezifischen Aufbau stabilisieren. Im zweiten Teil übertrug ich den Bottom-up-Ansatz auf das natürlich vorkommende Polysaccharid Cellulose. Die Studien der synthetischen Oligomere erlaubten es den Chiralitätstransfer über mehrere Maßstäbe hinweg zu verstehen. Ich konnte feststellen, dass sich synthetische D- und L-Cellulose-Oligomere zu Plättchen mit kontrollierten Abmessungen zusammensetzen, die sich wiederum zu chiralen Bündeln anordnen. Die Chiralität dieser Aggregate ist dabei direkt von der Monosaccharidzusammensetzung abhängig. Die Einfügung von L-Glc-Einheiten in die Sequenz von D-Glc-Cellulose-Oligomeren wirkte sich drastisch auf die makroskopischen Eigenschaften wie Löslichkeit, Kristallinität und Chiralität der Bündel aus. In Kapitel 4 habe ich das rationale Design und die Synthese eines Glykans mit einer stabilen Sekundärstruktur vorgestellt und damit die gängige Meinung widerlegt, dass Glykane aufgrund ihrer Flexibilität nicht faltbar sind. Durch die Kombination natürlicher Glykanmotive, die durch eine unkonventionelle Wasserstoffbrückenbindung und hydrophobe Wechselwirkungen stabilisiert werden, habe ich eine Glykan-Haarnadel entworfen, eine Sekundärstruktur, die in der Natur nicht vorkommt. AGA ermöglichte einen schnellen Zugang zu synthetischen Analoga, einschließlich ortsspezifischer 13C-markierter Spezies, die für NMR-Konformationsanalysen genutzt werden können. Die Strukturanalyse mittels NMR bestätigte eindeutig die gefaltete Konformation der synthetischen Glykan-Haarnadel. Diese Arbeit zeigt, dass es möglich ist, Glykane so zu programmieren, dass sie in wässriger Lösung definierte Konformationen annehmen. Insgesamt ermöglichten die in dieser Dissertation verwendeten Bottom-up-Ansätze ein tieferes Verständnis der Prinzipien, die die Selbstorganisation von Kohlenhydraten bestimmen. Die hier vorgestellte Arbeit öffnet den Weg für künftige Untersuchungen von Glykanen als Gerüste für die Selbstorganisation oder zur Ausführung komplexer Funktionen wie der Katalyse.
