Amphiphilic carbohydrate-containing compounds for multifunctional nano/macro structures

In lebenden Organismen spielen kohlenhydrathaltige Verbindungen wie Glykoproteine, Glykopeptide und Glykolipide eine Schlüsselrolle bei zahlreichen physiologischen und pathologischen Ereignissen über Kohlenhydrat-Protein-Wechselwirkungen, die durch den „Glykol-Cluster-Effekt“ verstärkt werden. Inspiriert von den multifunktionalen natürlichen Glykokonjugaten werden riesige synthetische kohlenhydrathaltige Verbindungen in Form von Polymeren und Tensiden hergestellt und in unserem täglichen Leben angewendet. In dieser Studie wurde erneuerbare und biologisch abbaubare Cellulose als Biopolymergrundgerüst während der Synthese von kohlenhydrathaltigen Polymeren ausgewählt. Neuartige Cellulosederivate mit regioselektiven Verteilungen anhängender Glucoseeinheiten wurden über eine Reihe wesentlicher Reaktionen erfolgreich synthetisiert: nukleophile Reaktion zur Einführung primärer Hydroxylgruppen mit der längeren Kette an der C6-Position; weitere sequentielle TEMPO / [Bis (acetoxy) iod] benzol (BAIB) -vermittelte Oxidation von primären Hydroxygruppen, Schiffsche Basenbildung und Reduktionsreaktionen im Eintopfverfahren zur Einführung freier Thiolgruppen; Thiol-En-Klick-Reaktion zur Einführung von Glucoseeinheiten. Die glykosylierten Cellulosederivate, die durch die Glucoseeinheiten einen Substitutionsgrad von 0,6 aufweisen, konnen mithilfe von NaOH reversibel an 1,4-Benzoldiboronsäure (BDBA) in DMSO binden und durch Nanopräzipitation Nanopartikel bilden. Außerdem wurden neuartige, mannosehaltige Fluoreszenzcellulosederivate über photo- und thermisch initiierte Thiol-En-Klick-Reaktionen synthetisiert, indem nacheinander hydrophiles Mannose-Oxyethoxylpropan-Thiol (Mann-SH) und fluoreszierendes Cumarin-Oxyhexyl-Thiol (Coum-SH) und Rhodamin B-Ethylthiol (RhB-SH) zum Cellulosegerüst mit terminalen Doppelbindungen konjugiert wurden. Die amphiphilen Fluoreszenzcellulosederivate bildeten einheitliche Nanopartikel mit durchschnittlichen Größen im Bereich von 240 nm bis 554 nm in Lösungen mit niedriger Ionenstärke (<0,085 M). Die thermisch stabilen, einheitlichen Nanopartikel, die Mannoseeinheiten tragen, zeigten durch die Bindung an BDBA selbst bei erhöhter Temperatur eine ausgezeichnete Dispersionsstabilität in NaOH-Lösung. Darüber hinaus wurden kohlenhydrathaltige Bolaamphiphile (CHO-Bolas) synthetisiert, die einen interessanten reversiblen, auf Temperatur und pH-Wert reagierenden Übergang von Mizelle zu Vesikel (MVT) aufwiesen. Bei Erreichen der MVT-Übergangstemperaturen (TMVT) in sauren oder neutralen wässrigen Lösungen verwandelten sich die 20 nm – 55 nm großen Mizellen in Vesikel mit einer Größe von bis zu 1,5 μm. Beim Abkühlen in alkalischer wässriger Lösung setzten sich die CHO-Bolas mit BDBA zu Helixstrukturen in Mikrogröße zusammen. Im Allgemeinen zeigten die kohlenhydrathaltigen Verbindungen in Form von Polymeren und Tensiden aufgrund der gruppierten Kohlenhydrateinheiten eine Boronsäureempfindlichkeit und bildeten Nano / Makro-Strukturen. Diese Arbeit ist eine kumulative Arbeit mit 3 Publikationen. Alle Beiträge wurden zur Einreichung vorbereitet/sind in Fachzeitschriften veröffentlicht, eine wurde bereits veröffentlicht und zwei davon befinden sich in Manuskripten und sind zur Einreichung vorbereitet. Der Hintergrund, das Ziel der Studie, die Ergebnisse und die Diskussion der drei Veröffentlichungen sowie die Schlussfolgerung sind in Abschnitt 1-4 dargestellt.

In living organisms, carbohydrate-containing compounds, such as glycoproteins, glycopeptides, and glycolipids, play key roles in numerous physiological and pathological events via carbohydrate-protein interactions amplified by “glycol-cluster effect”. Inspired by the multifunctional natural glycoconjugates, huge synthetical carbohydrate-containing compounds in the form of polymers and surfactants have been produced and applied in our daily life. In this study, renewable and biodegradable cellulose had been chosen as the biopolymer backbone during the synthesis of carbohydrate-containing polymers. Novel cellulose derivatives with regioselective distributions of pendant glucose moieties were successfully synthesized via a series of essential reactions: nucleophilic reaction to introduce primary hydroxyl groups with the longer chain at C6 position; further sequential TEMPO/[bis(acetoxy)iodo]benzene (BAIB)-mediated oxidation of primary hydroxy groups, Schiff base formation and reduction reactions in one-pot to introduce free thiol groups; thiol-ene click reaction to introduce glucose moieties. The glycosylated cellulose derivatives with a degree of substitution ascribed to glucose moieties of 0.6 could reversibly bind with 1,4-benzenediboronic acid (BDBA) in DMSO with the assistance of NaOH and form nanoparticles via nanoprecipitation. Besides, novel fluorescence cellulose derivatives bearing mannose moieties were synthesized via photo- and thermal- initiated thiol-ene click reactions by sequentially conjugating hydrophilic mannose-oxyethoxylpropane-thiol (Mann-SH) and fluorescent coumarin-oxyhexyl-thiol (Coum-SH) and rhodamine B-ethyl-thiol (RhB-SH) to cellulose backbone with terminal double bonds. The amphiphilic fluorescence cellulose derivatives formed uniform nanoparticles with average sizes ranging from 240-554 nm in low ionic strength solutions (<0.085 M). The thermal-stable uniform nanoparticles bearing mannose moieties exhibited excellent dispersion stability in NaOH solution even at elevated temperature via binding to BDBA. Moreover, carbohydrate-containing bolaamphiphiles (CHO-Bolas) were synthesized and exhibited interesting reversible temperature- and pH-responsive micelle-to-vesicle transition (MVT). Micelles of 20-55 nm turned into vesicles of up to 1.5 μm reaching the MVT transition temperatures (TMVT) in acidic or neutral aqueous solutions. In alkaline aqueous solution, CHO-Bolas coassembled with BDBA into microsized helix structures upon cooling. In general, the carbohydrate-containing compounds in the form of polymer and surfactants displayed boronic acid-sensitivity due to the clustered carbohydrate moieties and formed nano/macro structures. This thesis is a cumulative work including 3 publications. All papers were prepared to submit/published in peer-reviewed journals, one was already published and two of them are in manuscripts and prepared to submit. The background, the objective of the study, results and discussion of the three publications and the conclusion are presented in Section 1-4.

2021-03-28