Multifunctional chitosans obtained via polymer-analogous reaction with functional five-membered cyclic carbonates

Fricke, Nicole; Möller, Martin

doi:3155

Multifunctional chitosans obtained via polymer-analogous reaction with functional five-membered cyclic carbonates = Multifunktionelle Chitosane, erhalten durch polymer-analoge Reaktion mit funktionellen fünfgliedrigen zyklischen Carbonaten

Fricke, Nicole

2009

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Nicole Fricke

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2009

Umfang223 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Möller, Martin (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2009-10-22

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-31559
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/50141/files/Fricke_Nicole.pdf

Einrichtungen

RWTH Aachen (hsbk000000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Chitosan (Genormte SW) ; Carbonate (Genormte SW) ; Bakterizid (Genormte SW) ; Chemie (frei) ; amphipatisch (frei) ; Kopplungsreaktion (frei) ; Aminosäure (frei) ; Karbonate (frei) ; amphipathic (frei) ; coupling reaction (frei) ; amino acid (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Die vorliegende Arbeit behandelt die Synthese und Charakterisierung von multifunktionellen Chitosanderivaten. Die erhaltenen Materialien können einerseits als Tenside, andererseits als Biozide verwendet werden. Chitosan ist ein natürliches, biokompatibles Polyamin, das aus Chitin – dem nach Cellulose häufigsten natürlich vorkommenden Polysaccharid - durch Deacetylierung mit Natriumhydroxid gewonnen wird. Chitosan ist aus Glucosamin und N Glucosamineinheiten zusammengesetzt und ist in verschiedenen Molekulargewichten und Deacetylierungsgraden erhältlich. Das Molekulargewicht und der Deacetylierungsgrad sind für die Löslichkeit bestimmend. Der größte Teil der Chitosanderivate ist nur bei niedrigen pH-Werten löslich. Nur Derivate geringen Molekulargewichts, sogenannte Chitosanoligosaccharide, sowie Glykol Chitosan sind bei jedem pH-Wert in Wasser löslich. Chitosantenside, also amphiphile Derivate mit hydrophilen und hydrophoben (Alkyl-) Seitenketten wurden ausgehend von Glykol Chitosan (GC) und Chitosanoligosacchariden (COS) in einer dreistufigen Synthese hergestellt. Im Falle der GC-Derivate wurden nur wasserunlösliche Produkte erhalten, deren Funktionalisierung aber mittels IR Spektroskopie eindeutig nachgewiesen wurde. Eine Vielzahl von Produkten wurde durch Modifizierung der Oligomere (COS) mit einem kurzen (C3) oder einem langen (C6) Carbonatkoppler erhalten. Die Produkte variieren im Funktionalisierungsgrad, im Verhältnis der hydrophoben zu hydrophilen Segmente und der Länge der hydrophoben Seitenkette (C8, C12, C14) und wurden mittels NMR Spektroskopie und teilweise durch IR Spektroskopie charakterisiert. Die thermogravimetrische Analyse zeigte, dass die untersuchten Derivate thermisch stabiler sind als das Ausgangsmaterial. Die Messung der Oberflächenspannung ergab für das Produkt mit einem gleichen Verhältnis von hydrophilen zu hydrophoben Seitenketten und einer C12-Seitenkette eine kritische Mizellkonzentration von 0,01 mg/mL. Die antibakterielle Aktivität dieser Chitosantenside wurde gegen B. subtili und E. coli getestet. Die höchste Aktivität wurde für Derivate bestimmt welche mit dem C6-Koppler hergestellt wurden und eine C12-Seitenkette tragen und ein moderates Verhältnis (1:1, 2:3) von kationischen zur Alkylseitenkette aufweisen. Die Hämokompatibilität der wirksamsten Chitosanbiozide wurde durch ihre Wechselwirkung mit Erythrozyten untersucht. Alle untersuchten Derivate erwiesen sich als nicht hämolytisch. Zusätzlich wurde die direkte Funktionalisierung von Chitosan mit Ethylencarbonat oder funktionellen Ethylencarbonaten untersucht. Es zeigt sich, dass bedingt durch die geringe Nucleophilie der Aminogruppe der Glucosaminwiederholungseinheit dieser Syntheseweg keine Option war. Carbonatkoppler sind bifunktionelle Verbindungen mit zwei aminoreaktiven Gruppen, welche selektiv umgesetzt werden können: Die lineare Carbonatgruppe reagiert schon bei niedrigen Temperaturen; die fünfgliedrige cyclische Carbonateinheit reagiert bei erhöhten Temperaturen (> 40°C). Ausgehend von Glycerincarbonat wurden vier Kopplungsreagenzien hergestellt: (2-Oxo-1,3-dioxolan-4-yl)methyl phenyl carbonat (I), (2-Oxo-1,3-dioxolan-4-yl)methyl 4-nitrophenyl carbonat (II), (2-Oxo-1,3-dioxolan-4-yl)methyl 1-imidazole carbonat (III) und (2-Oxo-1,3-dioxolan-4-yl)methyl 4-(propan-2-ylideneaminooxy) carbonat (IV). Um die Reaktivitätsunterschiede näher zu untersuchen, wurden die Koppler mit Valinmethylester umgesetzt und die Ergebnisse mit dem bisher schon bekannten Koppler I verglichen. Durch die Reaktionsbedingungen wurde die Umsetzung der Koppler I-IV mit Phenyl-, 4-Nitrophenyl-, Imidazolyl- und Acetonoximabgangsgruppe entscheidend beeinflusst. Den höchsten Umsatz und die schnellste Reaktionsrate wurde für (2-Oxo-1,3-dioxolan-4-yl)methyl 4-nitrophenyl carbonat (II) ermittelt. Die Kopplungsreagenzien I und II wurden weiterhin für die Synthese funktioneller Carbonatbausteine aus Aminosäuremethylestern und Glucosamin eingesetzt. In einer zusätzlichen Studie wurden Aminosäuren mit (2-Oxo-1,3-dioxolan-4-yl)methyl 4-nitrophenyl carbonat (II) und Glycerolcarbonat umgesetzt. Es konnte zwar gezeigt werden, dass die gewünschten Produkte gebildet wurden, allerdings konnten diese nicht isoliert werden.

This thesis deals with the preparation and characterisation of multi-functional chitosan derivatives. The resulting materials can be used as surfactants and as biocides. In the preparation of these compounds carbonate couplers play an important role. Therfore different carbonate couplers were developed and evaluated by reaction with amines. Chitosan is a biocompatible natural polyamine, which is obtained from chitin - the second most abundant polysaccharide in nature - by deacetylation with sodium hydroxide. It is composed of glucosamine and N-acetyl-glucosamine units and is available in different molecular weights and degrees of deacetylation (DD). The solubility is influenced by these two properties; however, the majority of chitosan derivatives are only soluble at low pH values in aqueous solution. Only low-molecular weight chitosans, so-called chitosan oligosaccharides and modified chitosans like glycol chitosan are soluble in water at any pH. Chitosan surfactants, amphiphilic derivatives bearing hydrophilic and hydrophobic (alkylic) branches were prepared from glycol chitosan (GC) and chitosan oligosaccharides (COS) in a three-step synthesis. In the case of GC water-insoluble products were obtained, the functionalisation of which was proven via IR spectroscopy. With the oligomers a broad variety of products were obtained using a short (C3) or a long (C6) carbonate linker. The products vary in the degree of functionalisation, hydrophobic to hydrophilic ratio and length of the hydrophobic side group (C8, C12 and C14) and were characterised by NMR spectroscopy and partially by IR spectroscopy. Thermogravimetric analysis showed a higher thermal stability for the derivatives investigated and measurement of surface tensions resulted in a critical micelle concentration (cmc) being 0.01 mg/mL for a hydrophilic to hydrophobic ratio of 1:1 and a C12 alkyl chain. The antibacterial activity of these chitosan surfactants was tested against B. subtilis and E. coli. Highest activity was determined for derivatives prepared with the C6 linker, dodecyl-(A12) branches and moderate (1:1, 2:3) ratios of cationic to A12 side chains. The hemocompatibility of the more potent antibacterial compounds was assessed based on their haemolytic action on human red blood cells (RBCs). All samples investigated were found harmless for blood cells. Moreover, direct functionalisation of chitosan with ethylene carbonate or functional ethylene carbonates was studied. The results show that due to the low reactivity of the amino group in glucosamine repeating units this procedure is not viable. The carbonate coupler is a bifunctional molecule bearing two amino-reactive groups, which can be addressed selectively: The linear carbonate unit reacts at low temperatures; the five-membered cyclic carbonate moiety reacts at elevated temperatures (> 40°C). On the basis of glycerol carbonate, four coupling reagents were prepared: (2-oxo-1,3-dioxolan-4-yl)methyl phenyl carbonate (I), (2-oxo-1,3-dioxolan-4-yl)methyl 4-nitrophenyl carbonate (II), (2-oxo-1,3-dioxolan-4-yl)methyl 1-imidazole carbonate (III) and (2-oxo-1,3-dioxolan-4-yl)methyl 4-(propan-2-ylideneaminooxy) carbonate (IV). Their synthesis and characterization, starting from glycerol carbonate is described. To evaluate the differences in reactivity these couplers were reacted with valine methyl ester and the results were compared with the already known coupler I. Reaction conditions influenced the conversion of the couplers I-IV containing -phenyl, -4-nitrophenyl, -imidazolyl and acetone oxime leaving groups; highest conversion and fastest reaction rates were obtained with 2-oxo-1,3-dioxolan-4-yl)methyl 4-nitrophenyl carbonate (II). The coupling reagents I, and II were used for the synthesis of functional carbonate building blocks from amino acid methyl esters and glucosamine. In an additional study amino acids were reacted with (2-oxo-1,3-dioxolan-4-yl)methyl 4-nitrophenyl carbonate (II) and with glycerol carbonate chloroformiate. It could be shown that the desired products were formed; however the isolation of these amino acid couplers failed.

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