From cyclic carbonate bifunctional couplers to amphiphilic poly(ethylene imine)s

He, YingChun; Möller, Martin

doi:4066

From cyclic carbonate bifunctional couplers to amphiphilic poly(ethylene imine)s = Von cyclischen bifunktionellen Carbonate-Kopplern zu amphiphilen Polyethyleniminen

He, YingChun (Author)

2012

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von YingChun He

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2012

UmfangVIII, 274 S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Genehmigende Fakultät
Fak01

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-02-06

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-40669
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/62855/files/4066.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Bifunktionelle Verbindungen (Genormte SW) ; Fünfringverbindungen (Genormte SW) ; Cyclische Verbindungen (Genormte SW) ; Carbonate (Genormte SW) ; Chemie (frei) ; cyclic carbonate (frei) ; five-membered cyclic carbonate (frei) ; antimicrobial polymer (frei) ; bifunctional coupler (frei) ; poly(hydroxy urethane) (frei) ; amphiphilic poly(ethylene imine)s (frei) ; hydroxyl modification (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese und Charakterisierung von bifunktionellen Kopplern und multifunktionellen Polyethyleniminen. Die in dieser Arbeit diskutierten bifunktionellen Koppler behalten mindestens ein Fünf-Ring-Carbonat. Sie sind für die selektive Kombination von zwei funktionellen primären Aminen geeignet. Durch Additions- oder Substitutions-Reaktionen von bifunktionalen Kopplern mit Aminen wurden funktionelle Koppler mit einem Fünf-Ring-Carbonat hergestellt. Durch Ringöffnungsreaktion dieser funktionellen Carbonate mit Polyethyleniminen wurden multifunktionale Polyethylenimine vorbereitet. Basierend auf der Chemie der cyclischen Carbonate, Phenylcarbonate, Chlorformiate und Epoxide wurden 10 bifunktionelle Koppler (A1-A5, B1-B3, C1-C2 und BC56) synthetisiert. Ihre Reaktivität und Selektivität gegenüber Aminen wurden untersucht. Die Hydrolysestabilität von BC56 und funktionelle Koppler aus BC56 wurden getestet. In der Ringöffnungsreaktion von cyclischen Carbonaten mit Aminen wurden Urethangruppen mit einer benachbarten Hydroxylgruppe gebildet. Durch Modifikation dieser Hydroxylgruppen wurden lineare Polymere mit amphiphilen Endgruppen hergestellt. Die Anwendung von bifunktionellen Kopplern BC56 für die Synthese von Hydroxyl-Polyurethan wurde untersucht. Multifunktionale Polyethylenimine wurden durch zwei Methoden synthetisiert: einstufige Zugabe von funktionellen cyclischen Carbonat-Kopplern oder sequenzielle Zugabe von verschiedenen Kopplern. Der Einfluss des Herstellungsverfahrens auf ihre Mikrostruktur und antimikrobielle Eigenschaften wurde untersucht. Im antimikrobiellen Prozess interagieren kationische und hydrophobe funktionelle Gruppen mit der Bakterienmembran. Die Art und Weise der miteinander und mit der Polyethylenimin-Molekülen verbundenen kationischen und hydrophoben Gruppen beeinflusst die antimikrobielle Wirksamkeit der kationisch/hydrophob modifizierten kleinen Moleküle und Polyethylenimine. Die einzelne Molekülstruktur von multifunktionalen Polyethyleniminen wurde auf negativ geladenen Mica-Oberflächen durch Rasterkraftmikroskopie (AFM) visualisiert. Die Selbstorganisationseigenschaften von multifunktionalen Polyethyleniminen in dünnen Schichten und in der Wasserlösung und ihre hydrolytische und thermische Stabilität wurden untersucht.

This dissertation is concerned with two subjects: bifunctional couplers and multifunctional poly(ethylene imine)s (Figure 1). Bifunctional couplers discussed in this thesis are mostly bearing at least one five-membered ring carbonate. These bifunctional couplers were suitable for the selective combination of two functional primary amines. Via addition or substitution reactions of bifunctional couplers with functional amines, functional couplers with different properties bearing a five-membered ring carbonate were obtained. These functional couplers were used to prepare tailor made multifunctional poly(ethylene imine)s by ring-opening reaction of functional five-membered ring carbonates with poly(ethylene imine)s. Based on the chemistry of cyclic carbonates, phenyl carbonate, chloroformates, and epoxides, in total 10 bifunctional couplers (A1-A5, B1-B3, C1-C2, and BC56) with different coupling concepts – substitution/addition or addition/addition – were synthesized (Figure 2). Their reactivity and selectivity towards amines were studied. The hydrolytic stability of BC56 and functional couplers synthesized from BC56 were tested. In the ring opening reaction of cyclic carbonates with amines, urethane groups with an adjacent hydroxyl group were formed. The modification of these hydroxyl groups were studied in chapter 4. The application of bifunctional coupler BC56 for the synthesis of hydroxyl functional polyurethanes was discussed in chapter 3. Functional cyclic carbonates prepared from A1 – A4 were used for the modification of poly(ethylene imine)s. Multifunctional poly(ethylene imine)s bearing functional groups such as hydrophobic chains of various lengths, hydrophilic groups, cationic (ammonium) groups, amphiphilic groups, and/or labeling groups (pyrene) were synthesized und characterized. Multifunctional poly(ethylene imine)s can be obtained in one-step synthesis or in sequential addition synthesis by reaction with different kind of functional cyclic carbonates. The influence of the preparation process on their microstructure and antimicrobial properties was studied in chapter 6. In the antimicrobial process, cationic and hydrophobic functional groups interact both with the bacterial membrane. The way of cationic and hydrophobic groups linked to each other and linked on the poly(ethylene imine) molecules influenced the antimicrobial efficiency of the cationic/hydrophobic modified small compounds and poly(ethylene imine)s (chapter 7). In order to study the absorption of multifunctional poly(ethylene imine)s on negatively charged surfaces, single molecules of multifunctional poly(ethylene imine)s were visualized on mica substrates via atomic force microscopy (AFM) (in chapter 5). The properties of multifunctional poly(ethylene imine)s in thin layers and in water solution and their hydrolytic and thermal stability were investigated in chapter 8.

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