Moving in the right direction: Functionalized N-heterocyclic carbenes to assemble surface-bound biomolecular architectures for applications from biosensing to synthetic lipids

Abstract

The targeted fabrication of self-assembled monolayers (SAMs) on flat (metal) surfaces such as gold is a powerful tool for tuning biomolecular adhesion, surface free energy, electronic, and physicochemical properties. This field of research has been dominated by SAMs of alkanethiols on gold substrates for decades. Its chemistry plays a key role in many applications such as the preparation of anti-fouling surfaces, optical and electrochemical biosensors, and the fabrication of functional biomimetic architectures. SAMs comprised of thiols, however, suffer from a major drawback: their limited stability in an oxidative environment. In the last 10 years, the position of alkanethiols has been challenged by the emergence of N-heterocyclic carbenes (NHCs) as a viable alternative. A broader applicability of NHCs, owed to their stronger affinity towards gold resulting in more durable SAMs, was initiated by the development of a protocol for a mild in-situ formation and immobilization of the free carbenes. Since then, NHCs have been used as ligands in numerous surface modifications for biosensing, grafting onto surfaces and the stabilization of nanoparticles. However, in contrast to their sulfur-based counterparts, relatively little is known about NHC surface binding geometries, orientation and packing behavior. High surface mobility, leading to densely packed domains and potentially phase separation has been observed, however, to date no attempt to control and limit this effect has been undertaken. Furthermore, the number of reported, addressable NHCs is still lacking and there are no commercially available materials.In this thesis, the design, synthesis, and application of novel functional and addressable NHC-anchors for the assembly of surface-bound architectures that tackle the shortcomings of thiol-based systems is presented. To control NHC mobility, a strategy for two-dimensional on-surface click-crosslinking was developed and the design and synthesis of a cyclic, multidentate, and addressable NHC surface anchor capable of on-surface tetrazine ligation is demonstrated. Successful click reaction was proven via electrochemical experiments and characterization via XPS. The successful crosslinking of the novel bifunctional NHCs via click chemistry provides a new tool for surface immobilization and allows gaining control over phase segregation which is especially relevant in the development of biosensors.Furthermore, the viability of these novel NHC-based SAMs was shown in a range of new application fields: Addressable, PEGylated NHC anchors for highly stable and anti-fouling SAMs have been devised. These novel surfaces were applied in the fabrication of immunosensors by immobilizing anti-IgG antibodies and subsequent IgG sensing. A surface plasmon resonance (SPR) based biosensor, surpassing comparable thiol-SAM-based immunosensors was prepared by determining optimal linker length and mixing ratio of the employed NHC-SAMs. Furthermore, the challenge of site-specific, targeted, and oriented bioconjugation of proteins on surfaces was tackled by the use of addressable NHCs within this thesis. The powerful method of copper-catalyzed azide-alkyne cycloaddition (CuAAC) was employed for the controlled immobilization of BSA to form a bio-SAM of unprecedented surface density. Furthermore, A biomimetic architecture was constructed by the synthesis of several novel NHC-based anchor lipids for the fabrication of stable and durable lipid-SAMs and successful formation of synthetic membranes, followed by functional incorporation of an ionophore.In summary, a range of novel functional and addressable NHC-based materials and surface-bound SAM architectures was developed, that allow the precise modification of planar gold surfaces. These new synthetic methods broaden the spectrum of NHCs in SAM-applications such as biosensing and biomimetics.

Der Einsatz von selbstorganisierten Monoschichten (SAMs) ist eine gängige Methode um die chemischen und physikochemischen Eigenschaften von (Metall-)Oberflächen gezielt zu beeinflussen. Dieses Forschungsgebiet wurde jahrzehntelang von Alkanthiolen beherrscht. Diese werden erfolgreich in Anwendungen wie z.B. Antifouling-Oberflächen, Biosensoren und biomimetischen Strukturen verwendet. Thiol basierte SAMs und deren Anwendungen leiden jedoch unter limitierter Stabilität, besonders in oxidativen Bedingungen.In den letzten 10 Jahren haben sich jedoch N-heterocyclische Carbene (NHCs) aufgrund ihrer stärkeren Affinität zu Gold als vielversprechende Alternative für beständigere SAMs hervorgetan, ermöglicht durch die Entwicklung einer einfachen und sanften Methode zur in-situ Generierung und Oberflächenbindung der freien Carbene. Seitdem wurde über diverse erfolgreiche Einsätze in Gebieten wie Biosensorik, Polymer-grafting auf Oberflächen oder die Stabilisierung von Nanopartikeln berichtet. Im Gegensatz zu ihren auf Schwefel basierten Alternativen, sind NHCs und deren Oberflächenbindung und -orientierung auf Metallen jedoch noch relativ wenig erforscht. Eine hohe Oberflächenmobilität, die zu sehr dicht gepackten Domänen und potenziell Phasenseparation auf Goldsubstraten führt, wurde beobachtet. Allerdings wurde bis jetzt keine Strategie entwickelt, um diese Mobilität zu kontrollieren und gegebenenfalls zu unterbinden. Die Zahl and adressierbaren NHC-Materialien ist nach wie vor sehr begrenzt und es fehlt bislang noch an kommerzieller Verfügbarkeit.In dieser Arbeit wird das Design, die Synthese und die Anwendung von neuen, funktionellen und adressierbaren NHC-Ankern für die Herstellung von oberflächengebundenen Architekturen vorgestellt, welche die Defizite von Thiol-basierten Systemen überwinden. Um die NHC-Mobilität zu kontrollieren, wurde eine Strategie zur zweidimensionalen Klick-Vernetzung auf der Oberfläche entwickelt. Hierfür wurde die Synthese von einem neuen, cyclischen, mehrzähnigen und adressierbaren NHC-Oberflächenanker, welcher in der Lage zu Tetrazin-Ligation ist, demonstriert. Die erfolgreiche Klickreaktion konnte durch elektrochemische Experimente und Charakterisierung via XPS bestätigt werden. Die erfolgreiche Quervernetzung der neuen bifunktionellen NHCs durch Klickchemie stellt ein wertvolles Werkzeug in der Oberflächenmodifikation dar und ermöglicht Kontrolle über Phasenseparation, was besonders in der Entwicklung von Biosensoren von großem Vorteil ist.Die Vorteile neu synthetisierter NHC basierter SAMs wurden in einer Reihe von Anwendungen demonstriert: Adressierbare, NHC-Anker mit PEG-Ketten für stabile und Antifouling-SAMs wurden entwickelt. Diese neuen Oberflächen wurden für die Herstellung von Immunosensoren durch die Immobilisierung von anti-IgG Antikörpern genutzt und anschließend IgG in einem SPR-Experiment mit größerer Empfindlichkeit, verglichen mit Thiol-basierten Biosensoren, detektiert. Die Herausforderung, Biomoleküle gezielt und geordnet auf Oberflächen zu immobilisieren, wurde mithilfe der kupferkatalysierten Azid-Alkin Cycloaddition und adressierbaren NHCs in Angriff genommen und BSA konnte in unübertroffener Dichte an eine Oberfläche gebunden werden. Schließlich wurde ein biomimetisches System durch die Synthese mehrerer neuer NHC-basierter Ankerlipide hergestellt. Diese wurden zur Bildung eines Lipid-SAMs genutzt und es konnte daraus erfolgreich eine synthetische, oberflächengebundene Membran gefertigt werden.Zusammenfassend konnte eine Reihe an neuen, funktionellen und adressierbaren NHC-basierten Materialien entwickelt werden, die eine gezielte Modifizierung planarer Oberflächen ermöglichen.