Primary amine functionalized microgels

• Mikrogele mit primärer Amin-Funktionalisierung

Meurer, Richard Achim; Pich, Andrij (Thesis advisor); Schwaneberg, Ulrich (Thesis advisor)

Aachen (2019)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Kurzfassung

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Synthese, Charakterisierung und Anwendung wässriger Mikrogele, die einen hohen Grad an primären Aminfunktionen aufweisen. Mikrogele mit primären Aminfunktionen sind besonders aufgrund der vielfältigen Möglichkeiten zur Post-Modifikation interessant. Der erste Teil der Arbeit zeigt die Synthese von Mikrogelen auf Basis von Poly(N-Vinylcaprolactam) mit drei verschiedenen Derivaten von 2-Aminoethylmethacrylat als primäres Amin-Co-Monomer mittels Fällungspolymerisation. Hieraus werden kolloidal stabile Mikrogele mit Temperatur- und pH-Schaltbarkeit erhalten, wobei die räumliche Verteilung der primären Aminfunktionen, der hydrodynamische Radius und die Größenverteilung gesteuert werden können. Die Zugänglichkeit der primären Aminfunktionen wird mittels Post-Modifikation mit einem Fluoreszenzfarbstoff aufgezeigt. Der zweite Teil der Arbeit beschreibt die Synthese wässriger Poly(Allylamin)-Mikrogele durch Fällungspolymerisation. Salze des Allylamins von anorganischen Säuren werden mit Vernetzern, die unterschiedliche Reaktivitäten aufweisen, bei hohen Feststoffgehalten co-polymerisiert. Die Synthese liefert kolloidal stabile, pH-schaltbare Mikrogele mit einstellbarem hydrodynamischem Radius und variabler Vernetzungsdichte. Des Weiteren wird eine ähnliche Netzwerk-bildende Reaktion in inverser Miniemulsion durchgeführt, um die Ausbeute aufgrund der Kompartmentalisierung zu steigern. Die auf diese Weise synthetisierten pH-schaltbaren Mikrogele weisen extrem hohe Quellungsgrade auf. Die inverse Miniemulsion wird außerdem verwendet, um vorpolymerisiertes Poly(Allylamin hydrochlorid) mittels basenkatalysierter Vernetzung zu Mikrogelen umzusetzen, wobei Vernetzer mit unterschiedlichen Reaktivitäten verwendet werden. Dieser Syntheseweg führt zu Mikrogelen deren hydrodynamischer Radius, Größenverteilung und Vernetzungsdichte erfolgreich eingestellt werden kann. Insbesondere kann die Synthese bei Raumtemperatur in sehr kurzen Reaktionszeiten durchgeführt werden und liefert quantitative Ausbeuten, weil keine Abhängigkeit zu den Polymerisationsraten der Einzelkomponenten vorliegt. Die Zugänglichkeit der primären Aminfunktionen wird wiederum durch Post-Modifikation mit einem Fluoreszenzfarbstoff dargelegt. Der letzte Teil der Arbeit präsentiert eine mögliche Anwendung der synthetisierten Mikrogele als System für die Blattdüngung von Mikronährstoffen für Pflanzen, wobei gleichzeitig die vielseitige Möglichkeit der Post-Modifikation an den primären Aminfunktionen der Mikrogele dargestellt wird. Hierzu werden die Mikrogele, die im zweiten Teil der Arbeit synthetisiert wurden, auf zwei Arten post-modifiziert: Erstens wird das Innere der Mikrogele mit einem starken Chelatliganden modifiziert, sodass eine selektive Beladung mit einem Modell-Mikronährstoff erfolgen kann und zweitens wird die Oberfläche der Mikrogele mit einem maßangefertigtem Ankerpeptid funktionalisiert, sodass eine erhöhte Haftung an die Blattoberfläche einer Modell-Pflanze gewährleistet wird. Eine steuerbare Beladung der Mikrogele mit Mikronährstoff und eine starke Anhaftungsfähigkeit der Mikrogele an die Blattkutikula wird gezeigt. Zum Schluss wird ein erfolgreicher konzeptioneller Beweis durch ein ’Wiedergrünwerden’ von Pflanzen, die einen Mangel an Mikronährstoff aufwiesen, erbracht. Die Bioverfügbarkeit der Mikronähstoffe, hervorgebracht von den entwickelten Mikrogelen wird hierdurch aufgezeigt. Die Mikrogele sind biokompatibel und nicht phytotoxisch, das Düngesystem benötigt keine Additive und kann in wässriger Dispersion beladen und gelagert werden, die Anwendung erfolgt ebenfalls aus wässriger Dispersion.

Einrichtungen

• Fachgruppe Chemie [150000]
• Lehrstuhl für Makromolekulare Chemie [154610]