Vaste-fase Synthese van Sequentie Gecontroleerde Polymeren op Basis van Thiol Click Chemie

Transcriptie

1 Vakgroep Organische Chemie Onderzoeksgroep Polymeerchemie Onderzoeksgroep Biomimetische en Organische Synthese Vaste-fase Synthese van Sequentie Gecontroleerde Polymeren op Basis van Thiol Click Chemie Proefschrift voorgelegd tot het behalen van de graad van Master in de Chemie door Sven CAPENBERGHS Academiejaar Promotor: prof. dr. Filip Du Prez Copromotor: prof. dr. Annemieke Madder Begeleiders: dr. Pieter Espeel en Lieselot Carrette

2 Dankwoord Ik zou graag de vele mensen willen bedanken die mij bijgestaan hebben in dit uitdagende en interessante thesisjaar. In de eerste plaats gaat mijn dank uit naar professor Du Prez en professor Madder voor het aanbieden van dit aanlokkelijke en boeiende project en voor het ter beschikking stellen van alle mogelijke middelen die nodig waren om dit project uit te kunnen voeren. Mijn eindeloze dank gaat ook uit naar mijn begeleiders dr. Pieter Espeel en Lieselot Carrette die geen enkele moeite gespaard hebben om me waar nodig bij te staan. Of het nu ging om praktische handelingen of een moeilijke analyse, altijd stonden ze klaar. Hun kennis, ervaring, creativiteit en enthousiasme hebben me verrijkt. Ik zou ook alle leden van de PCR groep en het labo voor Biomimetische en Organische synthese willen bedanken voor alle hulp bij theoretische en praktische problemen en voor de uitstekende sfeer in het labo. Ook gaat mijn dank uit naar de dhr Bernhard de Meyer, Jos Van Den Begin en Jan Goeman voor alle hulp omtrent analyses, labomateriaal en technische problemen. Ook zou ik graag al mijn mede thesisstudenten, klasgenoten en al mijn vrienden en vriendinnen willen bedanken voor de vijf onvergetelijke jaren tijdens mijn studies. Ten slotte ook een welgemeende dankjewel aan mijn ouders, broer en familie om mij de kans te geven deze studie aan te vangen en mij gedurende deze jaren te steunen en vol interesse bij te staan. 2

3 Inhoudsopgave 1 Inleiding en doelstelling Theoretische beschrijving: situering van het werk Polymeren Inleiding: het ontstaan van polymeerchemie Streven naar controle van polymerisatiereacties en polymeerarchitecturen Sequentie gecontroleerde polymeren Bereiding van sequentie gecontroleerde polymeren in oplossing Via radicalaire ketting polymerisatie SCP s via stapsgewijze polymerisatie Bereiding van sequentie gecontroleerde polymeren op vaste-fase Vaste-fase synthese: een inleiding Voorbeelden van SCP s gesynthetiseerd op vaste-fase Click chemie Het concept click chemie Koper gekatalyseerde azido-alkyn cycloadditie Thiol-een click chemie Radicalaire thiol-een reacties Nucleofiele thiol-een reactie: thiol-michaël additie Thio-halogeen click reactie Thiol-isocyanaat click reactie Beschrijving van het eigen project Beschrijving van het eigen werk Ontwikkelen van een reactieschema voor de vaste-fase synthese van sequentie gecontroleerde polymeren op basis van thiol click chemie De vaste fase De linker Een zelf gesynthetiseerde linker analoog aan de Boc groep De Wang linker De Trityl linker De trityl cysteïne linker Zoektocht naar de optimale koppelingsreactie voor thiolen Voorgestelde reacties: thio-bromo koppeling en thiol-michael additie

4 Synthese van testverbindingen Kinetische studie van de thio-bromo koppeling Mogelijke nevenreacties geassocieerd met thiolen en sulfides De synthese van de sequentie gecontroleerde oligomeren op vaste-fase Synthese van SCP s door middel van een commercieel gemodificeerde basis vaste fase Synthese van SCP s door middel van modificatie van een basis vaste fase Voorbereiding van het hars op de eerste thio-bromo koppeling Optimalisatie van de thio-bromo koppeling op vaste-fase Optimalisatie van de aminolyse van het thiolacton met benzylamine Synthese van SCP s mbv de geoptimaliseerde reacties Conclusie en perspectieven Experimenteel deel Gebruikte reagentia Gebruikte apparatuur Reacties in oplossing Reacties voor de synthese van de zelfgemaakte zuurgevoelige linker Synthese van homocysteïne thiolacton isocyanaat uit homocysteïne thiolacton en trifosgeen Koppeling van 1,1-dimethylbut-3-een-1-ol met homocysteïne thiolacton isocyanaat Reacties voor de koppeling van de Wang linker Koppeling van p-methoxybenzyl alcohol met homocysteïne thiolacton isocyanaat Synthese van p-methoxybenzyl p-nitrobenzyl carbonaat Synthese van p-methoxybenzyl homocysteïne thiolacton carbamaat Reacties voor de koppeling van de trityl linker Boc bescherming van 4-aminobutaanzuur Koppeling van Boc 4-aminobutaanzuur (24) met homocysteïne thiolacton hydrochloride Boc ontscherming van Boc beschermd 4-aminobutaanzuur thiolacton (25) en omzetting naar de hydrochloride zout In situ Boc ontscherming van Boc 4-aminobutaan homocysteïne thiolacton carbamaat gevolgd door koppeling met tritylchloride Afsplitsing van de tritylgroep van trityl GABA TL Polymerisatie van 4-aminobutaan homocysteïne thiolacton carbamaat Controle of sulfide 33 oxideert/degradeert bij behandeling met TFA Modelreacties voor ontwikkeling van de koppelingsstrategie

5 Substitutie van 2-bromo-N-(DL-homocysteïne thiolacton-3-yl)acetamide met butaanthiol Additie van butaanthiol aan N-(DL-homocysteïnethiolacton-3-yl)acrylamide Kinetische studie van de thio-bromo koppeling Reacties op vaste-fase Standaardprocedures (SP s) SP1: Wassen van het hars SP2: Drogen van het hars ter bewaring SP3: trinitrobenzeensulfonzuur (TNBS) test SP4: NF-31 test SP5: Caroen test SP6: Afsplitsing van de trityl linker SP7: Hantering van de fotolinker SP8: Afsplitsing van de fotolinker SP9: Voorbereiding van het LC-MS staal door middel van extractie SP10: Bepaling van de loading Reacties met het Fmoc-L-Cys(SS-tBu)-Trt TG hars Fmoc ontscherming Acetylering Reductie van het disulfide van Fmoc-L-Cys(SS-tBu)-Trt-TG met tributylfosfine Reductie van het disulfide van Fmoc-L-Cys(SS-tBu)-Trt-TG met β-mercaptoëthanol Voorbereiding van het TG S NH 2 hars voor de synthese van de SCP s Koppeling van de fotolinker aan het hars Fmoc ontscherming van de fotolinker Koppeling van het aminozuur Fmoc-L-Cys(4-methoxytrityl)-OH Fmoc ontscherming van het cysteïne Acetylering van het vrije amine Ontscherming van de MeOTr groep van het cysteïne Uitvoering van de eerste thio-bromo koppeling Uitvoering van de eerste aminolyse Uitvoeren van de tweede thio-bromo koppeling Uitvoeren van de tweede aminolyse Referenties Lijst met gebruikte afkortingen

6 Lijst met appendices

7 1. Inleiding en doelstelling Al sinds de ontdekking van kunststoffen zoeken wetenschappers naar allerlei manieren om hun eigenschappen verder te exploreren en hun voordelige kenmerken steeds beter te benutten. In dit opzicht is een polymeerchemist zoals elke wetenschapper een visionair en een perfectionist. Steeds worden grenzen verlegd om de beperkingen van deze technologie weg te werken, met de blik gericht op de toekomst en haast utopische doelen om na te streven. Zo heeft men doorheen de jaren als een getracht om controle te krijgen over deze materialen. Levende en gecontroleerde radicalaire polymerisatietechnieken laten toe het moleculair gewicht te beheersen en de polydispersiteit te doen afnemen. Meer nog, polyfunctionele initiatoren laten toe een veelvoud aan geavanceerde polymeerarchitecturen te bekomen. Met de Natuur als ultieme designer van functionele macromoleculen wordt snel duidelijk dat de volgende stap naar complete controle van het polymerisatieproces, de controle van de microstructuur inhoudt. Dit betekent dat beoogd wordt om, net zoals ons grote voorbeeld de natuur, polymeren te bereiden bestaande uit een hoofdketen van repetitieve bouwstenen, waarbij elke bouwsteen een eigen gefunctionaliseerde zijgroep of zijketen bevat, picturaal geïllustreerd in figuur 1. Zulke polymeren worden sequentie gecontroleerde polymeren (SCP s) genoemd. Dit is het gebied waarin het onderzoek van deze masterscriptie zich situeert. Figuur 1: Picturaal voorbeeld van een sequentie gecontroleerd polymeer. Indien zulke kunststoffen gesynthetiseerd kunnen worden ligt de weg open naar allerlei specifieke en geavanceerde toepassingen gaande van kunststoffen met een uitmuntende stevigheid tot artificiële enzymen en DNA carriers. Het huidige onderzoek voorziet in een nieuwe synthesestrategie voor zulke sequentie gecontroleerde kunststoffen 7

8 2. Theoretische beschrijving: situering van het werk In dit hoofdstuk zal de brede context rond het project geschetst worden. Er zal vertrokken worden van een algemene evolutie van de polymeerchemie, waarna er verder zal gegaan worden naar de kern van het project: polymeren met een gecontroleerde sequentie. Hierbij zal een overzicht gegeven worden van de meest recente technieken voor hun bereiding, en wat dieper ingegaan worden op vaste-fase synthese als middel om dit type polymeren te bekomen, daar dit ook de techniek is die in dit project zal toegepast worden. Tenslotte zal afgesloten worden met de relevante chemie die toegepast zal worden in dit onderzoek: click chemie. 2.1 Polymeren Inleiding: het ontstaan van polymeerchemie Kunststoffen zijn niet meer weg te denken in de moderne samenleving. Ze leveren tal van voordelen aan de maatschappij. Van verpakking voor voedsel en dranken tot bouwmaterialen, overal kan men polymeren terugvinden. Hun lichte gewicht, eenvoudige productie en goedkope productiekosten maken ze tot een onmisbaar product in de economie. 1 Denk bijvoorbeeld maar aan de besparing in transportkosten voor het vervoer van PET flessen (polyethyleentereftalaat) ten opzichte van dezelfde hoeveelheid glazen flessen. Dit overstijgt ruim de hoeveelheid grondstoffen noodzakelijk voor het fabriceren van deze plastieken flessen. In wat volgt zal kort de evolutie van de polymeerchemie doorheen de geschiedenis beschreven worden, om zo tot state of the art ontwikkelingen te komen. Het woord polymeer stamt af van het Griekse poly, dat veel betekent en meros, wat staat voor deeltje. Polymeren zijn dus verbindingen die opgebouwd zijn uit zichzelf herhalende eenheden, de monomeren genoemd. Het ontstaan van synthetische polymeren kan gesitueerd worden in de tweede helft van de 19 de eeuw, wanneer biologische macromoleculen zoals meervoudige suikers reeds aangepast werden om zogenaamde half-synthetische macromoleculen te maken. Een voorbeeld, geïllustreerd in figuur 2, is de derivatisatie van cellulose; een natuurlijk polysaccharide dat opgebouwd is door de aaneenschakeling van D-glucose-eenheden en voorkomt in hout. Dit meervoudige suiker bevat verscheidene hydroxylgroepen die met elektrofielen gemodificeerd kunnen worden. Hierdoor kan het polysaccharide, dat onoplosbaar is in verschillende organische solventen, oplosbaar gemaakt 8

9 worden. Derivatisatie met azijnzuuranhydride levert zo een volledig geacetyleerd product op, dat gebruikt wordt bij het maken van films (Figuur 2). 2 Figuur 2: Acetylering van cellulose als voorbeeld van de bereiding van een half-synthetisch polymeer. Het eerste echte volledig synthetische polymeer dateert van 1907 wanneer Leo Baekeland een kunsthars patenteerde op basis van fenol en formaldehyde, genaamd Bakeliet (Figuur 3). 3 Figuur 3: Synthese van bakeliet als voorbeeld van een stapsgewijze polymerisatie. De synthese van dit polymeernetwerk gebeurt via een stapsgewijze polymerisatie. De verloopt via reacties tussen twee functionele groepen. Hierbij worden eerst verbindingen gevormd met een laag moleculair gewicht, waarna deze bij hoge conversies tenslotte met elkaar zullen reageren tot verbindingen met een hoog moleculair gewicht. Doordat de gevormde oligomeren en polymeren op elk moment gedurende de reactie condenseren tot polymeren met een verschillend moleculair gewicht is het eenvoudig te begrijpen dat de polydispersiteit (de spreiding op het moleculair gewicht) van het gevormde polymeer hoog is. Men kan bij stapsgewijze polymerisaties via berekeningen wel een schatting maken van het te bekomen moleculair gewicht, maar heeft absoluut geen controle over de polydispersiteit. Door gebruik te maken van multifunctionele monomeren kan men geavanceerde polymeerachitecturen zoals netwerken (zie hierboven), dendrimeren, stervormige en hypervertakte polymeren bekomen. 9

10 Dit staat in scherp contrast met polymeren bereid via vrije radicalaire polymerisatie (free radical polymerization, FRP) waarbij het moleculair gewicht van de verbindingen gestaag groeit gedurende de polymerisatie. Hier wordt een initiator toegevoegd aan het reactiemengsel die bij bestraling met UV licht of door verwarming radicalen genereert (Figuur 4). Figuur 4: Algemeen reactiemechanisme voor een vrije radicalaire polymerisatie met aanduiding van initiatie, propagatie en terminatie. Dit is de zogenaamde initiatiestap. De radicalen van de initiator zullen in een volgende stap, de propagatie, adderen aan de dubbele binding van het monomeer waarbij opnieuw een vrij radicaal wordt gevormd. Deze propagatiestap zal zich blijven herhalen tot de concentratie aan vrije radicalen in oplossing zo groot wordt dat verschillende radicalen recombineren met vorming van een σ- binding. Hierbij stopt de groei van de propagerende polymeerketen. Dit wordt dan terminatie door recombinatie genoemd. Een andere mogelijkheid waarbij terminatie kan optreden is door het onttrekken van een waterstofradicaal van een actief speciës van een groeiende keten door een radicaal van een andere groeiende polymeerketen. Hierbij treedt dus ook bij beide ketens terminatie op. Dit wordt terminatie door disproportionering genoemd. Deze treedt echter wel enkel op bij radicalaire vinylpolymerisaties. Doordat de initiatie continu plaatsgrijpt gedurende de reactie, zullen er op elk moment gedurende de conversie polymeermoleculen aanwezig zijn met een verschillend moleculair gewicht. Bovendien zullen niet alle ketens tot dezelfde lengte groeien aangezien er terminatiereacties zullen optreden. Via FRP zullen dus polymeren bekomen worden met een hoge polydispersiteit, waarbij er bovendien geen controle is over het gevormde moleculaire gewicht. Bovendien is het enkel mogelijk lineaire polymeren of netwerken te bereiden. 10

11 Op het gebied van radicalaire polymerisatie is er de laatste decennia al veel vooruitgang geboekt teneinde polymeren te bekomen met een nauwere spreiding in moleculair gewicht gekoppeld aan een grotere controle over het gevormd moleculair gewicht. Deze technieken zullen kort besproken worden in de volgende paragrafen Streven naar controle van polymerisatiereacties en polymeerarchitecturen Het ultieme doel van de polymeerchemist is reeds vele jaren het streven naar welgedefinieerde polymeren met een gekende polymerisatiegraad en nauwe spreiding van het moleculair gewicht. Een eerste stap naar controle werd gezet door Michaël Szwarc. Hij ontdekte in de jaren 50 van de vorige eeuw, dat polystyreen kan polymeriseren via een anionisch propagerend proces (Figuur 5). 4 Figuur 5: Polymerisatie van styreen via een anionisch propagerend proces zoals ontdekt door Szwarc. Hij introduceerde hierbij de term levende polymerisatie (LP). Een polymerisatie is levend wanneer er geen irreversibele transfer- en terminatiereacties optreden gedurende het polymerisatieproces. Dit kan bij een anionische of kationische polymerisatie door extreem droog te werken, en zo de aanwezigheid van respectievelijk elektrofielen en nucleofielen te verhinderen. Pas wanneer het polymerisatieproces volledig afgelopen is zal men dan een reagens toevoegen dat zorgt voor terminatie. Weliswaar heeft men via deze manier controle over de polymerisatiegraad, doch wanneer initiatie niet snel en kwantitatief optreedt zal men nog steeds een spreiding op het moleculair gewicht van de gevormde polymeren bekomen. Een levende polymerisatie is dus niet per definitie gecontroleerd. Bovendien is het aantal ionisch polymeriseerbare monomeren relatief beperkt. Manieren om radicalaire polymerisaties te controleren zijn dus gewenst. Zoals eerder aangehaald, wordt, wanneer polymeren bereid worden via FRP, een mengsel bekomen met een grote spreiding op het moleculair gewicht en een ongecontroleerde polymerisatiegraad. Indien initiatie snel en kwantitatief verloopt en men terminatie sterk kan reduceren, is het mogelijk het radicalaire polymerisatieproces te controleren. Dit type polymerisatie wordt gecontroleerde radicalaire polymerisatie (controlled radical polymerization, CRP) genoemd. 5 Het essentiële verschil 11

12 tussen CRP en LP is dus het feit dat terminatie en ketentransfer bij LP volledig afwezig is, terwijl dit bij CRP gewoon sterk gereduceerd wordt, maar wel nog steeds optreedt. Een radicalaire polymerisatie kan gecontroleerd verlopen door de concentratie aan vrije radicalen zo laag mogelijk te houden. 6 Dit kan door een evenwicht te creëren tussen actief propagerende radicalen en slapende radicalen die niet kunnen polymeriseren. Dit evenwicht moet dan sterk naar de kant van de slapende radicalen liggen. Er zijn verschillende methoden ontwikkeld die gebruik maken van een evenwicht tussen slapende en actieve ketens. De meest gekende zijn Atom Transfer Radical Polymerisation (ATRP) 7-8, Nitroxide Mediated Polymerisation (NMP) 9, en Reversible Addition Fragmentation Chain Transfer (RAFT). 10 Enkel wanneer het proces gecontroleerd is, kunnen polymeren met welbepaalde samenstelling en topologie bekomen worden (Figuur 6). 11 De specifieke samenstelling van copolymeren is afhankelijk van het moment waarop men de monomeren toevoegt. Laat men monomeer A eerst volledig polymeriseren en voegt men dan pas monomeer B toe, dan krijgt men blokcopolymeren. Als A nog niet volledig gepolymeriseerd is wanneer B wordt toegevoegd, bekomt men gradiënt copolymeren. Indien de polymerisatie gestart wordt met zowel A als B aanwezig in het reactiemengsel, zal het bekomen product een statistisch copolymeer zijn. De samenstelling van de polymeerketen hangt bovendien ook af van de kinetische parameters geassocieerd met de monomeren. Dit zal wat verder in dit werk uitgediept worden. Tenslotte kan men ook polymeren synthetiseren waarvan de samenstelling van de zijketens verschillend is aan deze van de hoofdketen. Deze worden graft copolymeren genoemd. Figuur 6: Enkele voorbeelden van geavanceerde polymeerstructuren

13 Door de structuur van de initiator aan te passen kunnen bovendien verschillende polymeerarchitecturen bekomen worden. Wanneer deze initiator monofunctioneel is leidt dit tot lineaire polymeren. Wanneer met bijvoorbeeld een tetrafunctionele initiator gewerkt wordt bekomt men stervormige polymeren. Wanneer de monomeren multifunctioneel zijn kunnen geavanceerde structuren zoals netwerken en hypervertakte polymeren gesynthetiseerd worden. Ondanks het feit dat gecontroleerde en levende polymerisatiereacties reeds een enorme diversiteit aan eindproducten toelaten, kunnen ze nog lang niet toe de natuur evenaren. Deze is in staat macromoleculen te synthetiseren met een sequentie die specifiek is tot op het basiselement. DNA strengen kunnen voorkomen in eender welke sequentie, en niet enkel als blok- of gradiënt copolymeren. De ribosomen hebben zelfs 20 verschillende natuurlijke bouwstenen tot hun beschikking, de aminozuren, wanneer ze proteïnen synthetiseren; en toch kunnen ook deze in eender welke sequentie voorkomen. Hierin ligt de kracht van de biomacromoleculen: ze hebben een uiterst specifieke structuur die eindeloze diversificatie in primaire, secundaire, tertiaire en quaternaire structuur toelaat, en dus ook een onbegrensde mogelijkheid aan eigenschappen. Het staat dus vast dat de volgende stap naar complexere polymeren de controle van de sequentie omvat. Dit is een uitdagend onderwerp waar momenteel verscheidene onderzoeksgroepen interesse in vertonen. Enkele voorbeelden van vroege verwezenlijkingen worden hieronder beschreven. Het is belangrijk op te merken dat het onderzoek naar deze interessante klasse polymeren zich nog steeds in een erg vroege fase bevindt. 2.2 Sequentie gecontroleerde polymeren Zowel stapsgewijze als radicalaire polymerisatiemethoden zijn reeds toegepast voor de bereiding van SCP s. De stapsgewijze sequentie gecontroleerde polymerisaties worden veelal op vaste fase uitgevoerd. Toch zijn er ook specifieke voorbeelden van syntheses in oplossing. Wat de bereiding van SCP s via een radicalaire polymerisatie betreft, is dit beperkt tot monomeerparen met een uitgesproken affiniteit voor copolymerisatie ipv homopolymerisatie. Hiervan zijn slechts enkele voorbeelden bekend. Deze verschillende mogelijkheden worden hieronder wat meer toegelicht Bereiding van sequentie gecontroleerde polymeren in oplossing Via radicalaire ketting polymerisatie Polymeren bereid via radicalaire polymerisatie, kunnen een verschillende samenstelling bezitten. De samenstelling van een copolymeer, opgebouwd uit twee verschillende bouwstenen A en B wordt 13

14 volledig bepaald door de reactiviteit van één monomeer tov zichzelf, en tov het andere monomeer (Figuur 7). Deze verhoudingen worden voorgesteld door de letter r. Zo stelt r A de verhouding voor van de reactiviteit van monomeer A met een eindstandig A radicaal van de groeiende keten op de reactiviteit van monomeer A met een eindstandig B radicaal van de groeiende keten. Hetzelfde geldt voor monomeer B en r B. Indien deze verhouding voor beide monomeren gelijk is aan 1 zullen beide monomeren even snel reageren met eindstandige A radicalen, als met eindstandige B radicalen. Indien beide monomeren in dezelfde concentratie voorkomen bekomt men in dat geval statistische copolymeren waarbij de sequentie volledig door het toeval bepaald wordt (Figuur 7). Indien deze verhoudingen gelijk zijn aan 0, zal elk monomeer enkel reageren met een radicaal van het andere monomeer en worden alternerende copolymeren gevormd. Indien de verhoudingen veel groter zijn dan 1 zullen de monomeren veel liever met radicalen van de eigen soort reageren, en zal het ene monomeer slechts adderen aan de groeiende polymeerketen indien het andere reeds bijna of volledig gepolymeriseerd is. In dat geval spreekt men respectievelijk van gradiënt en blokcopolymeren. De reactiviteitsverhoudingen oefenen dus een grote invloed uit op de samenstelling van het copolymeer. Figuur 7: Verschillende copolymeren bekomen via vrije radicalaire polymerisatie (FRP). r X staat voor de reactiviteitsratio van een bepaalde monomeer. Afhankelijk van de kinetische parameters van de monomeren worden statistische of alternerende copolymeren gevormd. 12 Kennis over deze parameters kan aangewend worden in de zoektocht naar polymeersystemen die de synthese van SCP s toelaten. Indien monomeren gebruikt worden die preferentieel leiden tot heteropolymerisatie, in plaats van homopolymerisatie, kunnen polymeren met een gecontroleerde microstructuur bekomen worden. Een elegant voorbeeld werd beschreven door Pfeifer et. al. en is weergegeven in figuur 8. 14

15 Figuur 8: Strategie voor bereiding van SCP s uit styreen en gefunctionaliseerde maleïmides via ATRP. Deze sequentie gecontroleerde polymerisatie is mogelijk door de uitzonderlijke kinetische parameters van de monomeren. 15 Hij beschreef in 2007 de bereiding van SCP s uit styreen en gesubstitueerde maleïmides via ATRP. 15 Maleïmide bezit een uitgesproken neiging tot reactie met styreen, en geen neiging tot homopolymerisatie. Styreen werd gedeeltelijk gepolymeriseerd via ATRP. Op verschillende tijdstippen werd een hoeveelheid van een bepaald maleïmide toegevoegd, dat dan werd geïncorporeerd in de groeiende keten met de vorming van een ongeveer alternerend copolymeer. De polymerisatie blijft immers in beperkte mate statistisch door de 100 keer hogere concentratie van styreen tov maleïmide. Nadat alle maleïmide geïncorporeerd was in de groeiende ketens werd het volgende maleïmide met een andere substituent op het stikstofatoom, toegevoegd. Ook dit leverde een alternerend copolymeer segment op. Het gecontroleerd monomeer toevoegen kan zoveel herhaald worden als gewenst. Heel recent werd de bovenstaande methode verder uitgewerkt. 16 De hoeveelheid te incorporeren maleïmide werd gevoelig vergroot, en de structuur werd verder onderzocht. Daardoor werd gevonden dat naarmate de keten langer wordt en men meer verschillende maleïmiden wil toevoegen, er meer ketens voorkomen die niet al deze maleïmiden bevatten. Daarom werd een alternatieve aanpak ingevoerd, waarbij een heterotelechelische precursor werd bereid die één maleïmide bevat. Via twee post-polymerisatie modificatie stappen werd op de α-plaats dan een alkyn ingevoerd, en op de ω-plaats een azidogroep (Figuur 9). Vervolgens kon dit macromonomeer stapsgewijs gepolymeriseerd worden tot een macromolecule met hoog moleculair gewicht. Het mechanisme voor deze koppeling wordt verder uitvoerig toegelicht (cfr 2.3.2). 15

16 Figuur 9: Bereiding van de copolymeren door klikken van de precursor. 16 De mate van controle is natuurlijk beperkt voor deze methode. De bekomen polymeren bezitten enkel fragmenten met een gecontroleerde sequentie. Bovendien verschillen de polymeerketens onderling ook nog qua microstructuur. De mogelijkheden zijn bovendien beperkt tot monomeermengsels met de juiste kinetische parameters (r A en r B 0). Een grotere mate van controle is mogelijk wanneer polymeren bereid worden via een stapsgewijze polymerisatie SCP s via stapsgewijze polymerisatie Figuur 10: Verschillende copolymeren bereid via stapsgewijze polymerisatie. 12 Via stapsgewijze polymerisatie kunnen SCP s eenvoudig bereid worden in oplossing vertrekkende van difunctionele monomeren met complementaire functionele groepen (Figuur 10). 12 Zo zal de copolymerisatie van x-a-y en x-b-y, waarbij A en B verschillende monomeren zijn en x en y twee 16

17 verschillende complementaire functionele groepen, aanleiding geven tot statistische copolymeren. Indien men gebruik maakt van x-a-x en y-b-y monomeren leidt dit tot alternerende copolymeren. Indien men een derde monomeer z-c-z invoert in het reactiemengsel met x-a-x en y-b-y om periodische polymeren met de (ABC) n structuur te bekomen, moet de functionele groep z zowel met x als y kunnen reageren, en zal dit aanleiding geven tot statistische copolymeren (bvb ABCBACAB). Men kan echter wel eerst x-a-x volledig laten reageren met y-b-y om zo y-bab-y segmenten te bekomen. Vervolgens wordt het monomeer z-c-z toegevoegd en ontstaan BABCBAB polymeren. Asahara publiceerde in 1975 reeds de bereiding van een copolymeer van aminobenzeenthiol en maleïnezuur anhydride met vorming van een poly(imido-thioëther) (Figuur 11). Dit polymeer werd bekomen omwille van de bevoordeelde Michaël additie met de sulfhydryl groep aan de dubbele binding, ten opzichte van die met het amine. 17 Figuur 11: Synthese van een poly(imido-thioëther) als voorbeeld van een alternerend blokcopolymeer. Deze thiol-michaël additie werd ook aangewend om een poly(amide-ester-thioether) te synthetiseren uit twee asymmetrische monomeren via een gecombineerde poly-additie en polycondensatie (Figuur 12). Figuur 12: Synthese van een poly(amide-ester-thioëther). Een polymeer met complexere sequentie werd bereid door bovenstaande methode uit te breiden. Een poly(acylhydrazide-amide-sulfide) werd gesynthetiseerd door gebruik te maken van 4-nitrofenyl acrylaat, 4-aminobenzhydrazide, 4,4 -thiobisbenzeenthiol en isoftaalzuur. De reagentia en het bekomen polymeer worden aangeduid in figuur 13 waarbij de verschillende bouwstenen in het polymeer aangeduid worden met een kleurcode. Het is duidelijk dat de bereiding van zo n polymeer een extra stap is in de richting naar controle aangezien men nu vier verschillende monomeren kan laten reageren tot een structuur met gecontroleerde sequentie. 17

18 Figuur 13: Synthese van een poly(acylhydrazide-amide-sulfide), een polymeer met gecontroleerde structuur opgebouwd uit vier verschillende monomeren. De sequentiecontrole bekomen bij deze polymerisatie is groter dan bij het gebruik van radicalaire polymerisatietechnieken. Desalniettemin blijft het aantal monomeren dat gebruikt kan worden in dit type polymerisaties beperkt. Indien men periodieke copolymeren, met een langere en meer veranderlijke sequentie wil, zal men over moeten stappen op andere synthesemethoden zoals vastefase synthese Bereiding van sequentie gecontroleerde polymeren op vaste-fase Vaste-fase synthese: een inleiding Bij vaste-fase synthese (Solid Phase Synthesis, SPS) wordt een polymeer via een stapsgewijs protocol opgebouwd op een vaste fase (Figuur 14). Doordat er per stap slechts één type monomeer x-x-y in oplossing aanwezig is, en één van de beide functionele groepen beschermd is, kan er per stap slechts één bouwsteen gekoppeld worden aan de groeiende keten. Daarboven kunnen reagentia in overmaat toegevoegd worden om het reactie-evenwicht in de gewenste zin te drijven omdat zuivering na de reactie eenvoudig kan gebeuren door filtratie, aangezien het polymeer covalent gebonden achterblijft op het hars. 18

19 Figuur 14: Bereiding van sequentie gecontroleerde polymeren via vaste-fase synthese. 12 Deze methodologie werd door Merrifield ontwikkeld in 1963 voor de synthese van peptiden (oligomeren of korte polymeren van aminozuren), waarvoor hij in 1984 de nobelprijs voor chemie ontving Tot dan was de synthese van peptiden arbeidsintensief en niet erg efficiënt wegens de vele beschermgroepen en het noodzakelijke opzuiveren tussen de repetitieve stappen. Hij kwam op het idee om bij de synthese van het peptide stapsgewijs het eerste aminozuur covalent te binden aan een vaste drager. Op die manier wordt het vervolg van de synthese uitgevoerd in een heterogeen reactiemengsel, waarbij de groeiende peptideketen gebonden is op de vaste drager (ook wel hars genoemd), en het aminozuur zich in oplossing bevindt. Dit was de start van vaste-fase peptidesynthese (solid phase peptide synthesis, SPPS). Ondertussen beperkt vaste-fase synthese zich al lang niet meer tot peptiden. Ook andere repetitieve macromoleculen, zoals oligonucleotiden, oligosaccharides en een reeks van sequentie gecontroleerde polymeren, kunnen via deze methode bereid worden. Daarnaast wordt het ook gebruikt bij niet-repetitieve synthese. Men spreekt dan van Solid Phase Organic Synthesis (SPOS) Voorbeelden van SCP s gesynthetiseerd op vaste-fase Vaste-fase synthese werd reeds aangewend voor de synthese van verschillende soorten SCP s. Rose et al. gebruikten SPS voor de synthese van polyamides uit diamines en dicarbonzuren (Figuur 15). 21 Deze strategie werd bedacht om monodisperse polyamides te bekomen (iets wat niet verwezenlijkt kan worden bij de stapsgewijze polymerisatie in oplossing) zonder gebruik te maken van beschermgroepen, zoals noodzakelijk is bij de synthese van peptiden met aminozuren zoals bij SPPS. 19

20 Figuur 15: Synthese van sequentie gecontroleerde polyamides op vaste-fase door gebruik te maken van diamines en anhydrides. Het aminogefunctionaliseerde hars werd gekoppeld aan barnsteenzuuranhydride. Daar het anhydride gebruikt wordt is er geen koppelingsreagens nodig. De vrije carboxylgroep werd geactiveerd waarna in een volgende stap het diamine gekoppeld werd. De preactivatie van het carbonzuur zorgt er wederom voor dat koppelingsreagentia niet noodzakelijk zijn. Deze drie stappen (koppeling van het anhydride, activatie van de carboxylgroep en koppeling van het diamine) worden in een repetitieve manier uitgevoerd, waarna het amine gefunctionaliseerd kan worden met een peptide via SPPS. Deze werden vervolgens getest in biologische applicaties. Fyles et al. hebben SPS gebruikt om oligo-esters te synthetiseren (Figuur 16). 22 Hierbij werd vertrokken van beschermde ω-hydroxy carbonzuren als bouwstenen. De carboxylgroep werd veresterd met de hydroxylgroep afkomstig van de vaste fase. De hydroxylgroep van de bouwsteen werd in dit geval beschermd als tetrahydropyranyl- (THP) of tert-butyldimethylsilylether (TBDMS) om overreactie te vermijden. Deze beschermgroepen (BG) konden respectievelijk verwijderd worden met p-tolueensulfonzuur (p-tsoh) of tetra-n-butylammonium fluoride (TBAF) en azijnzuur. De sequentie van koppelen en ontschermen kan met verschillende ω-hydroxy carbonzuren herhaald worden. Via deze procedure konden vier bouwstenen gekoppeld worden. 20

21 Figuur 16: Synthese voor de bereiding sequentie gecontroleerde oligo-esters uit tetrahydropyranyl (THP) of tertbutyldimethylsilyl (TBDMS) beschermde ω-hydroxy carbonzuren. De groep van Börner heeft vaste-fase synthese recent gebruikt voor de synthese van poly(amidoamines) (PAA s). Deze zijn opgebouwd uit bouwstenen die interne aminogroepen bevatten, en aan elkaar gelinkt zijn via amidebindingen. 23 Deze moleculen zijn gekend om hun compatibiliteit met DNA, RNA en eiwitten en kunnen daarom geklasseerd worden in de categorie van de peptidomimetica. De controle van de sequentie, gecombineerd met het monodisperse karakter van de gesynthetiseerde verbindingen is noodzakelijk voor het uitvoeren van de therapeutische taak waarvoor ze beoogd zijn Daarenboven laat variatie in de structuur van het amine toe om de interacties met de biomacromoleculen nauwkeurig te optimaliseren. De vaste-fase synthese van de PAA segmenten gebeurde door de sequentiële additie van verschillende anhydriden en diamines. De strategie wordt weergegeven in figuur 17, en de verschillende bouwstenen in figuur 18. Deze koppelingscyclus van diamines en anhydrides kon tot zesmaal herhaald worden. 26 Bovenstaande procedure laat ook toe aminozuren of peptideketens in de sequentie te incorporeren. Ze kan zelfs geautomatiseerd worden, gebruik makende van een geautomatiseerde peptide synthesizer. Het eindstandige amine op het hars wordt gekoppeld aan een anhydride, met de vorming van een amidebinding en vrije carboxylgroep. Doordat er met anhydrides wordt gewerkt als analoog voor dicarbonzuren is er geen koppelingsreagens nodig, enkel een base is vereist. Vervolgens kan, gebruik makende van standaardprocedures in SPPS een diamine gekoppeld worden. 21

22 Figuur 17: Synthese van poly(amidoamines) s uit diamines en dicarbonzuren. 26 Figuur 18: Overzicht van de verschillende bouwstenen gebruikt in de synthese van de PAA s. 26 Recent werd deze methodologie uitgebreid met chirale bouwstenen (Figuur 19). 27 Figuur 19: Strategie voor de synthese van PAA s met gebruik van chirale diamines

23 Doordat één van de amines van de chirale bouwsteen beschermd is kan dit chemoselectief gekoppeld worden aan een anhydride, gebruikt in het standaardprotocol voor de bereiding van deze PAA segmenten. Deze bouwsteen werd vervolgens gebruikt in de vaste-fase synthese, waarbij afwisselend barnsteenzuur anhydride ( succinic anhydride ) en de bouwsteen gekoppeld werden op een hars gefunctionaliseerd met aminogroepen. Na drie cycli van achtereenvolgens koppelen van barnsteenzuur anhydride en de chirale bouwsteen, vertrekkende van een polystyreen (PS) hars, was het niet mogelijk verdere koppelingen uit te voeren. Dit werd toegewezen aan hydrofobe interacties tussen de chirale bouwsteen en de vaste fase. Wanneer een minder hydrofoob hars gebruikt werd konden langere oligomeren bekomen worden door de bovenstaande synthesecyclus viermaal uit te voeren. Pfeifer et al. rapporteerden ook de vorming van blokcopolymeren die segmenten bevatten met gecontroleerde sequentie. 28 Zij maakten gebruik van een lineair polymeer als anker. Dit polymeer is opgelost in het reactiemedium, maar kan selectief worden neergeslagen. Op die manier wordt de eenvoud van scheiding behouden, maar wordt ze toch gecombineerd met een betere solvatatie van de reagentia. Er werd telkens vertrokken van lineair polystyreen (bereid via ATRP). In één geval werd deze voorzien van een p-alkoxybenzyl linker, zodat het gesynthetiseerde oligomeer na synthese van het polystyreensegment gesplitst kan worden. In het andere geval werd geen linker voorzien, en werd dus een blokcopolymeer bekomen bestaande uit een polystyreensegment en een segment met gecontroleerde sequentie (Figuur 20). Deze laatste procedure is vooral handig wanneer men blokcopolymeren wil bekomen met een segment met gecontroleerde sequentie. Om de monomeren te linken werd er gekozen voor amidevorming, en de koper gekatalyseerde azido-alkyn cycloadditie. Op deze manier werden sequentie gecontroleerde oligomeren gesynthetiseerd bestaande uit zes bouwstenen, waarbij de cyclus van triazool- en amidevorming dus driemaal herhaald wordt. Aangezien beide koppelingsreacties orthogonaal verlopen is er geen nood aan beschermgroepen. Vaste-fase synthese laat echter slechts toe oligomeren en geen polymeren te bereiden. Hierdoor zal men voor het bekomen van langere ketens verschillende oligomeren verankeren door conjugatie aan elkaar of aan peptiden en polyethyleenoxide (PEO). Desalniettemin blijft de term SCP s behouden. Uit bovenstaande voorbeelden is het duidelijk dat deze strategie efficiënt verloopt als de verschillende koppelingsreacties onderling orthogonaal uitgevoerd worden en er geen nood is aan 23

24 beschermgroepen. In het hier beschreven project zal er daarom geprobeerd worden een strategie te ontwikkelen waarbij geen beschermgroepen gebruikt moeten worden. Hierover is meer te lezen in hoofdstuk 3. Voor de bereiding van de SCP s in het eigen project moet er vertrokken worden van een robuuste, efficiënte chemie om de bouwstenen te koppelen. Reacties die gekend staan als click chemie in de literatuur worden hiervoor als inspiratiebron gebruikt. Figuur 20: Strategieën voor de synthese van sequentie gecontroleerde oligomeren op een lineaire polystyreenketen gebruik makend van opeenvolgende CuAAC click chemie en koppelingen tussen carbonzuren en amines. dnbipy staat hier voor 4,4 -dinonyl-2,2 -bipyridine 2.3 Click chemie Het concept click chemie Het concept click chemie werd door Sharpless et al. bedacht. 29 Hij definieerde een aantal criteria waaraan de perfecte organische reactie moet voldoen. Vervolgens verzamelde hij alle reacties die het best aan deze criteria voldoen en labelde ze met de term click chemie. Deze reacties werden zo genoemd omdat ze zouden toelaten dat een breed aantal reagentia uiterst efficiënt en zonder enige 24

25 moeite aan elkaar geklikt worden. Volgens hem moeten click reacties voldoen aan de volgende vereisten: Een reactie moet breed en algemeen toepasbaar zijn, hoge rendementen opleveren, enkel onschadelijke nevenproducten produceren die verwijderd kunnen worden via niet-chromatografische methodes en indien noodzakelijk stereospecifiek zijn. Bovendien moeten de reactiecondities eenvoudig zijn (in het ideale geval is de reactie ongevoelig voor water en zuurstof). De reagentia moeten ook eenvoudig beschikbaar (commercieel beschikbaar of eenvoudig te synthetiseren) zijn. De reactie zou in het ideale geval uitgevoerd worden in solventvrije condities. Indien dit niet het geval is moet het solvent onschadelijk zijn (bvb water) of tenminste eenvoudig te verwijderen. Ten slotte moet het gevormde product eenvoudig te isoleren zijn (bvb kristallisatie of destillatie) en moet het reactieproduct stabiel zijn onder fysiologische condities. Om een hoog rendement te bereiken moet de reactie qua condities dus orthogonaal zijn ten opzichte van andere aanwezige functionele groepen in de moleculen. Dit betekent dus dat chemoselectiviteit een noodzaak is. Het is in dit opzicht belangrijk op te merken dat click chemie een filosofie is. Een reactie die aan alle criteria van Sharpless voldoen is op dit moment nog niet gevonden, de criteria kunnen dus enkel gebruikt worden om een reeks efficiënte reacties te selecteren die in vele gevallen aanleiding zullen geven tot het gewenste product in een hoog rendement op een erg atoom-efficiënte manier, gebruik makend van onschadelijke solventen. De nuancering is hierbij meer dan noodzakelijk aangezien de click status niet betekent dat een reactie in elke mogelijke toepassing onfeilbaar is. Bovendien is het niet de bedoeling click chemie op te hemelen en andere veelgebruikte chemische reacties zoals de klassieke Aldol chemie te verwerpen. Bovendien is click chemie tegenwoordig een hot topic waardoor reacties maar al te snel als click worden bestempeld. Enige omzichtigheid met het gebruik van de term is dus aangewezen. Deze Sharpless vereisten kunnen nog verder aangevuld worden als het gaat om polymeerchemie. Zo zouden de reacties uitvoerbaar moeten zijn onder equimolaire omstandigheden om de zuivering te vereenvoudigen. Deze eenvoudige zuivering moet bovendien ook gelden voor grotere hoeveelheden (boven de standaard laboratoriumschaal). Tenslotte zou de reactie ook nog voldoende snel moeten verlopen, om nuttig te zijn in de polymeerchemie. De voorwaarde voor stereospecificiteit kan daarentegen afgezwakt worden, aangezien dit niet zo belangrijk is voor de fabricage van polymeren, met uitzondering van conjugaten van polymeren en biomoleculen. 30 Er zijn slechts een aantal reacties die voldoen aan vele van deze voorwaarden, waarvan slechts enkele intensief gebruikt worden in de polymeerchemie. Het schoolvoorbeeld is natuurlijk de koper gekatalyseerde azido alkyn cycloadditie (CuAAC). Maar recent worden ook verschillende reacties met thiolen intensief bestudeerd als click reacties. 31 Zo worden de reacties tussen thiolen en alkenen (zowel radicalair met alle mogelijke alkenen, als nucleofiel met elektronenarme alkenen) 32 thiolen en 25

26 alkynen, 33 thiolen en isocyanaten 34 en thiolen en haliden (bvb bromiden) als click reacties bestempeld. Het is in deze algemene bespreking van click chemie ook toepasselijk te vermelden dat Sharpless in zijn baanbrekende artikel ook reeds vaste-fase synthese vermeldde. Hij stelt dat het gebruik van een vaste fase, om het reactans op te verankeren, toelaat om niet-click reacties zo uit te voeren dat toch hoge conversies en een eenvoudige zuivering wordt bekomen. Hij stelt ook dat het belangrijk is op te merken dat de omstandigheden gebruikt in vaste-fase synthese absoluut niet voldoen aan de click filosofie aangezien zowel reagentia als solventen in grote overmaat worden toegevoegd en de reacties dus ver van atoom-efficiënt zijn. Bovendien laat SPS enkel toe producten in kleine hoeveelheden te synthetiseren Koper gekatalyseerde azido-alkyn cycloadditie De Huisgen 1,3-dipolaire cycloadditie van een azide aan een alkyn is de best gekende click reactie. Het dipolaire azide zal enkel reageren wanneer een goed dipolarofiel (bvb een alkyn) aanwezig is waardoor weinig tot geen nevenproducten gevormd worden. De reactiecondities tolereren de aanwezigheid van water en zuurstof, waardoor de reactie zelfs in een biologisch milieu uitgevoerd kan worden, zoals bijvoorbeeld voor de modificatie van celoppervlakken. 38 Deze reactie is echter niet regioselectief, tenzij het dipolarofiel gebonden is aan een elektronenzuigende groep. 39 Bovendien hebben azides een explosief karakter. Figuur 21: Gevormde regio-isomeren bij de azido-alkyn click reactie zonder en met Cu(I) katalyse. In 2002 nam de interesse voor deze reactie toe, toen de katalytische activiteit van Cu(I) ontdekt werd, wat leidt tot regioselectiviteit met de bevoorrechte vorming van het 1,4- regio-isomeer (Figuur 21). 40 Het verwijderen van het gebruikte koper uit het reactiemengsel vormt vaak een probleem, wat bij kunststoffen voor verkleuring zorgt en nefast is voor het gebruik in biologische applicaties. 26

27 2.3.3 Thiol-een click chemie Thiol-een click chemie voldoet aan vele voorwaarden voor click reacties en is tegenwoordig het meest gebruikte metaalvrije alternatief voor de CuAAC in de synthese van diverse polymeerstructuren. 31 De conversie is haast kwantitatief, de hoeveelheid noodzakelijke katalysator is klein en de reactiesnelheden zijn uitermate hoog. Daarenboven kunnen de reacties zowel in een brede reeks solventen als in bulk uitgevoerd worden. De reactie is tot slot regioselectief en uitvoerbaar met een grote verscheidenheid aan thiolen en alkenen. Ze is zowel uitvoerbaar onder radicalaire condities met elektronenrijke en elektronenarme alkenen (thiol-een reactie genoemd), als onder nucleofiele omstandigheden met elektrondeficiënte alkenen waarbij een 1,4 additie uitgevoerd wordt (thiol Michaël additie genoemd) Radicalaire thiol-een reacties De radicalaire thiol-een reactie is een stapsgewijze radicalaire polymerisatie tussen een thiol en een alkeen met vorming van een thio-ether (Figuur 22) die verloopt via een standaard radicalair reactiemechanisme zoals eerder beschreven in figuur Figuur 22: Algemeen reactieschema voor de radicalaire additie van een thiol aan een alkeen. De zwakke zwavel-waterstof wordt homolytisch gebroken met vorming van een thiyl radicaal onder invloed van UV licht met een golflengte van 365 nm. Er werd aangetoond dat toevoegen van een foto-initiator niet noodzakelijk is. 42 De kern van de thiol-een radicalaire polymerisatie bestaat uit twee verschillende propagatiereacties. De eerste houdt de anti-markovnikov additie van een thiyl radicaal in, aan de dubbele binding met vorming van een methyleen radicaal. De tweede propagatiereactie, de keten-transfer (chain transfer) reactie houdt de abstractie van een waterstof radicaal in door het methyleenradicaal, met de vorming van een nieuw thiyl radicaal. Terminatiereacties kunnen optreden door recombinatie van alle verschillende radicalen die aanwezig zijn in het reactiemengsel, wat leidt tot de vorming van verscheidene (di)sulfiden. De structuur van het alkeen en thiol spelen een grote rol voor de reactiesnelheid. Die daalt met afnemende elektrondensiteit van de dubbele binding van het alkeen 41 en afnemende pka van het thiol, omdat de SH binding dan minder snel homolytisch splitst. Wanneer de pka, en dus de basiciteit van de verbinding stijgt zal ook de elektrofiliciteit van het overeenkomstige thiyl radicaal toenemen en de verbinding een hogere reactiviteit bezitten in radicalaire thiol-een reacties. 27

28 De reactiviteit van thiolen bij radicalaire thiol-een reacties wordt echter niet enkel bepaald door het elektrofiele karakter van het overeenkomstige thiyl radicaal. Dit bepaalt namelijk de snelheidsconstante van de additiereactie. Ook de keten-transfer reactie speelt een belangrijke rol. In bepaalde gevallen zullen thiolen van propionaten en acetaten toch sneller reageren dan alkylthiolen doordat de keten-transfer veel vlotter verloopt omwille van een verzwakte SH binding door waterstofbrugvorming met de carbonylgroepen van de esterbinding. 41 Figuur 23: Synthese van een vierde generatie dendrimeer met thiol-een click chemie, gevolgd door functionalisatie met 2-mercaptoazijnzuur, 4-(pyren-1-yl)butyl 2-mercaptoacetaat of N-Fmoc cysteïne. De toepassingen van radicalaire thiol-een click chemie zijn legio. Dendrimeren, netwerken, polymeerfunctionalisatie en oppervlaktefunctionalisatie zijn maar enkele mogelijkheden. 32 Hawker et al gebruikten de radicalaire thiol-een click reactie voor de bereiding van dendrimeren via een divergente synthesestrategie Er werd vertrokken van allylisocyanuraat (Figuur 23) als kern. De takken werden opgebouwd door achtereenvolgens een radicalaire thiol-een koppeling uit te voeren met 1-thioglycerol en een verestering met 4-penteenzuuranhydride. Dit leverde het eerste generatie dendrimeer op, met 6 dubbele bindingen aan het oppervlak. Deze methode werd herhaald om uiteindelijk het vierde generatie dendrimeer, met 48 hydroxylgroepen aan het oppervlak, te bekomen. Deze kunnen vervolgens wederom omgezet worden met 4-penteenzuuranhydride tot het 28

29 vierde generatie dendrimeer met 48 dubbele bindingen. Vervolgens werd het oppervlak van het dendrimeer via thiol-een clickchemie gefunctionaliseerd met 2-mercaptoazijnzuur, 4-(pyren-1- yl)butyl 2-mercaptoacetaat of N-Fmoc cysteïne Nucleofiele thiol-een reactie: thiol-michaël additie Een thiol-een click reactie kan ook via een nucleofiel mechanisme verlopen indien het alkeen elektronenarm is. Dit is het geval wanneer het gebonden is aan een elektronenzuigende groep, zoals bijvoorbeeld een α,β-onverzadigde carbonylverbinding. Figuur 24: Algemeen reactieschema voor de nucleofiele additie van een thiol aan een elektronarme dubbele binding. De snelheid en conversie van de reactie wordt beïnvloed door een veelvoud aan factoren zoals de keuze en ph van het solvent, de pka van de base en het thiol, de grootte van het thiol (sterische hinder) en de aard van de elektronenzuigende groep. 31 Chan et al. voerden een studie uit naar de reactiviteit van verschillende thiolen in de thiol-michaël additie. 45 Ze observeerden een trend in reactiviteit die niet overeenkomt met de nucleofiliciteit van de thiolaat anionen. Meer nog, de trend in reactiviteit is volledig omgekeerd evenredig met de nucleofiliciteit, ofwel de pka van het thiol. Thiolen met een lage pka vormen makkelijker thiolaat anionen. Voor eenzelfde hoeveelheid van dezelfde base zullen de zuurste thiolen dus meer voorkomen onder de vorm van hun geconjugeerde base (het thiolaat anion) en zal de reactiesnelheid dus stijgen. Voor alkenen geldt dat ze sneller zullen reageren naarmate de dubbele binding elektronenarmer is. 31 In plaats van basen kan de thiol- Michaël additie ook gekatalyseerd worden door nucleofielen zoals primaire en secundaire amines en tertiaire fosfines. Hieruit blijkt dat katalyse door fosfines de reactie meer versnelt dan de katalyse door amines. De efficiëntie neemt bovendien toe naarmate het amine of fosfine nucleofieler wordt. Toepassingen van de thiol-michaël reactie zijn ook veelvuldig terug te vinden in de literatuur. Zo beschreef Chan et al. de bereiding van polyfunctionele thio-ethers via sequentiële nucleofiel gekatalyseerde thiol-michaël additie en radicalaire thiol-yn reactie. 33 Deze laatste is gelijkaardig aan de eerder besproken radicalaire thiol-een reactie, met het verschil dat er twee thiyl radicalen kunnen adderen aan één driedubbele binding. Er wordt vertrokken van pentaërythritol tetra(3- mercaptopropionaat) dat via een thiol-michaël additie, gekatalyseerd door dimethylfenylfosfine 29