Synthese und Anwendung funktioneller Farbstoffe

Abstract

Ziel der vorliegenden Arbeit war die Synthese eines mercaptofunktionellen Fluoreszenzfarbstoffes, mit dem das Auffinden und selektive, kovalente Markieren von Michaelakzeptoren, wie z. B.<br />Maleimide oder Methacrylamide, in Polymeren möglich ist. Dazu wurde ein Fluoreszenzmarker hergestellt, der auch bei geringen Konzentrationen der Zielstrukturen noch eine Detektion der Verteilung der angebundenen Markermoleküle mittels Fluoreszenzmikroskopie erlaubt. Aufgrund des hohen Preises kommerziell erhältlicher Precursor wurde die gesamte Synthese zuerst mit dem wesentlich günstigeren technischen Triarylfarbstoff Viktoriablau R getestet. Bei der Herstellung der beiden Marker wurde das als Precursor hergestellte 6-Bromhexansäurechlorid in einer zweistufigen Synthese mit dem Chromophor (5-Aminofluorescein oder Viktoriablau R) und der Schwefelfunktionalität verknüpft. Der aktive Marker wurde dann kurz vor der Verwendung unter basischen Bedingungen freigesetzt. Im zweiten Teil der Arbeit wurden die Marker an folgende funktionalisierte Polymere gebunden. * Maleimid-funktionalisierte PP-Folien * Maleimid-gepfropfte PP-Folien * Vernetzte Microspheres aus difunktionellen Methacrylamiden Um die geeigneten Reaktionsbedingungen für die Michaeladdition von Thiol an Maleimid zu finden, wurde ein Modellsystem etabliert. Als Thiol-Komponente wurde Ethanthiol, und als Maleimid-Komponente Phenylethylmaleimid verwendet. Diese Testsubstanzen wurden in verschiedenen Lösungsmitteln und mit unterschiedlichen Zusätzen zur Reaktion gebracht. Dabei stellte sich heraus, dass reines Ethanol bei einer Reaktionstemperatur von 30°C die besten Ergebnisse lieferte. Maleimid-funktionalisierte PP-Folien erhält man, wenn man Glycidylmethacrylat (GMA) als Monomer für die lichtinduzierte Flüssigphasenpfropfpolymerisation verwendet, und an diese in einer zweiten Stufe kovalent Maleimidoundecansäure (MUS) bindet. In der vorliegenden Arbeit wurden Folien untersucht, für die drei verschiedenen Katalysator/Lösungsmittel-Systeme bei der MUS-Funktionalisierung zum Einsatz kamen. Die so beschichteten PP-Folien wurden sowohl mit dem Viktoriablaumarker als auch mit dem Fluoreszenzmarker behandelt. Für den Viktoriablaumarker war die Maleimidkonzentration an den Folien nicht hoch genug, um einen, für das freie Auge sichtbaren, Färbeeffekt zu erzielen. Mit dem Fluoreszenzmarker konnte jedoch eine deutliche Markierung erreicht werden. Damit konnte klar gezeigt werden, dass die Maleimid-funktionalisierung der PP-Folien erfolgreich war. Für die Markierung Maleimid-gepfropfter PP-Folien standen Proben zur Verfügung, für deren Beschichtung mittels lichtinduzierter Flüssigphasenpfropfreaktion Maleimid-Monomere verwendet worden waren. Da Maleimide als Typ II Photoinitiator agieren können, ist die Bildung vernetzter Beschichtungen möglich in denen noch reaktive Maleimide enthalten sind. Für eine Markierung mit dem Viktoriablaumarker war die Konzentration zu gering. Eine Behandlung mit dem Fluoreszenzmarker ergab aber eine deutliche Fluoreszenz unter dem Fluoreszenzmikroskop. Damit konnte das Vorhandensein und die Zugänglichkeit von freien und reaktionsfähigen Maleimidgruppen bewiesen werden. Warum die Fluoreszenz nicht gleichmäßig, sondern vielmehr streifenförmig verteilt war, ist Gegenstand weiterführender Untersuchungen. Für die Markierung vernetzter Microspheres standen Partikel zur Verfügung, die mittels Suspensionspolymerisation aus difunktionellen Methacrylamiden hergestellt worden waren. Wie die Labeling-Experimente zeigten, war der Rest¬doppel-bindungsgehalt hoch genug, dass auch mit dem Viktoriablaumarker eine mit freiem Auge deutlich sichtbare Blaufärbung erzielt werden konnte. Die Fluoreszenzmarkierung der Microspheres zeigte ebenfalls einen hohen Gehalt an gleichmäßig verteilten und gut zugänglichen Methacrylamiddoppelbindungen, welche in der Lage sind, mit Thiolen eine Michaeladdition einzugehen. Dieses Wissen eröffnet ein neues und breites Feld an Möglichkeiten. So können z.B. funktionelle Thiole oder SH-hältige Biomoleküle an die Restdoppelbindungen gebunden werden.

Fluorescence microscopy is a versatile tool for polymer characterisation due to a very low limit of detection, the possibility to visualize the spatial distribution of target structures, and the feasibility to analyse very complex matrices, if the marker is equipped with a selective attaching group. The objective of this work was the synthesis of a novel fluorescence marker able to attach to Michael-acceptors such as methacrylamides and maleimides under mild conditions and the fluorescence labelling of functional polymers. For the synthesis of the fluorescence marker system F-SH fluorescein was used as the chromophor, because of its high quantum efficiency and good chemical characteristics. Since the marker molecules are sterically demanding, they were also equipped with an aliphatic spacer, which makes sure that each target functionality can be labelled by a marker molecule. Furthermore, the spacer increases the compatibility of the marker-system with nonpolar matrices such as polyolefins. As attaching group a thiol residue was chosen, because of its ability to undergo Michael addition with nearly every Michael acceptor. The synthesis of the marker, which was done in a three step process, was tested with Victoria blue R (a triarylmethane dye) as a model substance. The marker system was used to analyze three types of polymers containing Michael-acceptors: maleimide-functionalized PP foils, maleimide-grafted PP foils and microspheres prepared by suspension polymerization of dimethacrylamides. The labeled PP samples were analyzed by fluorescence microscopy, and a high fluorescence respond could be observed. The results of analysis significantly contributed to the development of an efficient method to attach maleimide groups to PP surfaces and revealed that surface photografting of aliphatic maleimides, which are known to be photoactive, and, therefore, are able to abstract acidic protons like a Type II photoinitiator, results in strongly crosslinked coatings containing residual reactive maleimide groups. Labeling of microspheres for affinity chromatography, obtained by suspension polymerization of galactaric acid based monomers, showed that these polymers have a very high amount of accessible residual double bonds, which opens the door for activation by Michael addition of functional thiols.