Novel synthesis of biocompatible monomers

Abstract

Die UV-Härtung von photopolymerisierbaren Monomeren, wie (Meth)acrylaten, wird seit mehr als einem halben Jahrhundert für die Beschichtungsindustrie und in jüngster Zeit in hochspezialisierten Bereichen wie dem Tissue Engineering eingesetzt. Diese Monomere führen jedoch zu Reizungen und sind zytotoxisch.Daher können sie imbiomedizinischen Bereich nur eingeschränkt eingesetzt werden. Alternative Monomere wie Vinylester (VE) und Vinylcarbonate (VC) können hinsichtlich der Materialeigenschaften mit (Meth)acrylaten konkurrieren und haben eine deutlich geringere Toxizität, jedoch gibt es keine günstigen Synthesemethoden. Der Zweck dieser Arbeit bestand daher darin, neue und günstigere Synthesemethoden zu etablieren. Ein weiteres Ziel war die Entwicklung einer neuen Klasse von ungiftige nund photopolymerisierbaren Monomeren, nämlich der N-Vinylcarbamate (NVC). Im Rahmen dieser Arbeit konnten innovative Strategien zur Synthese von VEs erfolgreich entwickelt werden. VE wurden in ausgezeichneter Ausbeute entweder mit Vinyloxytrimethylsilan oder Acetaldehyd als ausgehende Vinylgruppe synthetisiert. Im Vergleich zu den großtechnischen Methoden, die auf Quecksilber-oder Palladiumkatalysatoren basieren, sind diese Strategien ungiftig und kosteneffizient.Darüber hinaus wurde eine neue quecksilberfreie, kosteneffiziente Methode für die Herstellung von Vinylchlorformiat entwickelt, dasfür die Synthese von niedrigtoxischen VC-basierten Monomeren benötigt wird. Diese Synthese basiert auf einer Palladium-katalysierten Reaktion von Vinyloxytrimethylsilan mit einer Phosgenlösung. Die daraus resultierenden VC-Monomere wiesen eine sehr geringe Zytotoxizität auf und sind daher für biomedizinische Anwendungen vielversprechend.Des Weiteren wurde die neue Monomerklasse der NVC durch die quantitative Umwandlung von Vinylisocyanat mit einem Alkohol hergestellt. Die erhaltenen Monomere beeindruckten durch ihre geringe Zytotoxizität und fast vollständige Umsetzung der Doppelbindungen bei der Photopolymerisation. Die resultierenden Polymere bestachen durch hervorragende mechanische Eigenschaften.Zusammenfassend kann gesagt werden, dass diese vielversprechenden Ergebnisse und die innovativen, kosteneffizienten Synthesendie Anwendungvon VE-, VC-und NVC-Monomeren in der Biomedizin zur Substitution von schädlichen Acrylaten und sogar Methacrylaten enorm fördern.

UV curing of photopolymerizable monomers, like (meth)acrylates, has been utilized for coatings for more than half a centuryand more recently in further developed areas such as tissue engineering. However, these applied monomers have major disadvantages,e.g.high irritancy and cytotoxicity,which lead to a limited use in biomedical applications due to health issues.Vinyl esters (VEs) and vinyl carbonates (VCs) can compete with (meth)acrylates in terms of material properties and have a significantly lower toxicity, but lack in cost-efficient synthesis methods. The purpose of this work was to establish new pathways to overcome this drawback.An other aim was the development of a completely new class of low toxic and photopolymerizable monomers, namely N-vinyl carbamates(NVCs). Within this work, innovative strategies to synthesize VEs could be successfully developed. VEs were generated in excellent yield using either vinyloxy trimethylsilane or acetaldehyde as vinyl-donating group. Compared to state-of-the-art methods based on mercury or palladium catalysts these strategies are low toxic, cost-efficient and facile.Furthermore, a new mercury-free, cost-efficient method for the precursorvinyl chloroformate that is needed for generating low toxic VC-based monomers was successfully developed.This synthesis is based on a palladium-catalyzed reaction of vinyloxy trimethylsilane with a phosgene solution. Low cytotoxicity of the resulting VC monomers could be determined, which is very promising for biomedical applications.Lastly, the new monomer class of NVC was introduced by the quantitative conversion of vinyl isocyanate with an alcohol. The monomers obtained impressed with their low cytotoxicity and almost full double bond conversion during photopolymerization.The resulting polymers captivated with excellent mechanical properties.Summarized, these auspicious results and innovative, cost-efficientsynthesistremendously support the suitabilityofVE, VC and NVC monomers in biomedicine to substitute harmful acrylatesand even methacrylates.