Synthesis and applications of metathesis-derived functional monolithic media

Abstract

The first chapter of this thesis deals with an overview on the key discoveries that revealed the pertinence of metathesis in the field of polymeric monolithic materials. The text also offers a short excursion to the historical background of metathesis reactions and metathesis-derived polymeric materials. A few sections are devoted to the recent developments in metathesis-derived polymeric monoliths and their most recent applications.

The second chapter of this thesis addresses the exploration of a novel and convenient method for the synthesis of ROMP-derived aldehyde-semitelechelic polymers via the metathesis of living Ru-alkylidenes of ROMP-derived polymers with O2 (Scheme I). This study also describes as to what extent ROMP-derived polymers can be functionalized upon termination with O2 and in which form this reaction can be useful to material science and biocatalysis. The ROMP of norborn-2-ene (NBE) and cis-cyclooctene (COE) was initiated with well-defined Grubbs-type initiators, i.e., RuCl2(PCy3)2(=CHPh), [RuCl2(PCy3)(IMesH2)(=CHPh)], and [RuCl2(3-Br-Py)2(IMesH2)(CHPh)] ( MesH2 = 1,3-bis(2,4,6-trimethylphenyl)imidazolin-2-ylidene, PCy3 = tricyclohexylphosphine, 3-Br-Py = 3-bromopyridine). Reaction of the living polymers with O2 (air) resulted in the formation of aldehyde-semitelechelic polymers in up to 80% yield, depending on the initiator and monomer used. This simple methodology was then used for the functionalization of ROMP-derived monoliths prepared from NBE, 1,4,4a,5,8,8a-hexahydro-1,4,5,8-exo-endo-dimethanonaphthalene (DMN-H6) and (NBE-CH2O)3SiCH3, to yield aldehyde-funtionalized monoliths. The extent of aldehyde formation was determined by hydrazone formation. Up to 8 μmol of aldehyde groups/g of the monolith could be generated by this approach. Finally, these aldehyde-functionalized monoliths were used for the immobilization of trypsin. Excellent proteolytic activity of the immobilized enzyme was found in both under batch and continuous flow conditions.

The third chapter of this thesis was done in collaboration with Prof. Dr. René Peter’s group at Institute of Organic Chemistry, University of Stuttgart. This project focuses on the development of a supported version of a chiral bimetallic catalyst suitable for the enantioselective Michael-additions. The heterogenization of such chiral catalysts has received considerable attention due to the high costs for both the metal and the chiral ligands. Therefore, system that allow for the straightforward separation of expensive chiral catalysts from reaction mixtures and minimum product contamination by metal leaching and efficient recycling are highly desirable. In this chapter, the utility of ROMP-derived monolithic support for the heterogenization of such catalyst is explored. A suitable support for immobilization was prepared via ROMP using the “1st generation Grubbs catalyst”, RuCl2(PCy3)2(=CHPh). Norborn-5-ene-2-ylmethyl hexafluoro-5-oxohexanoic acid and mono(norborn-5-ene-2-ylmethyl) hexafluoroglutarate were surface-grafted utilizing the living termini on to the monolithic support via a grafting from approach (Scheme II). The immobilization of the bimetallic catalyst with a proper counter ion was successfully accomplished by the reaction of the activated complex with free carboxylic acid groups of the graft polymer. The thus prepared supported catalysts were then used for the enantioselective Michael additions of tert-butyl 2-cyano-2-phenylacetate to 2-cyclohexen-1-one.

The fourth chapter of this thesis address an unprecedented cyclopolymerization-based approach to conductive monolithic media using tris(4-methyl-1,6-heptadiyne) benzene-1,3,5-tricarboxylate and bis(4-methyl-1,6-heptadiyne) terephthalate as cross-linkers and 2-propanol and 1,2-dichloroethane as porogens. N-hydroxysuccinimide-(1,6-heptadiyne-4-yl) carboxylate and 4-trimethylsiloxymethyl-1,6-heptadyine was used as a functional monomer, the polymerization was initiated by [Ru(CF3COO)2(1,3-dimesitylimidazolin-2-ylidene)(CH-2-(2-PrO)-C6H4)] (Scheme III). Approximately 77% of the functional monomers were located at the surface of the microglobules as evidenced by elemental analysis. This way, they are readily accessible to the reaction with redox-active catalysts containing amino groups. Upon doping with various p-dopant in suitable solvents, the thus prepared monoliths displayed a conductivity of 6×10-4 S.cm-1. Moreover, successful immobilization of the trypsin without any deterioration of the enzyme was achieved on the doped monolith as shown by the excellent proteolytic activity of the immobilized enzyme. Synthesis, characterization and application possibility of these novel monolithic materials are described in this chapter.

The focal theme of the last chapter is the synthesis of telechelic AB-type block copolymers of 4,4-bis(octyloxymethyl)-1,6-heptadiyne and dipropargyl malonodinitrile via the metathesis–based cyclopolymerization using well-defined molybdenum- and ruthenium-based initiators. Even though, the polymerization using Ru-based initiator did not resulted in block polymers due to significant backbiting, an investigation towards the influence of various reaction conditions on backbiting of these two monomers was accomplished. A significant improvement in the elimination of backbiting was achieved when the polymerization was carried out with [Ru(NCO)2(IMesH2)(=CH-2-(2-PrO)-C6H4] and [Ru(NCO)2(3-Br-Py)2(IMesH2)(CHPh)], (IMesH2 = 1,3-dimesitylimidazolin-2-ylidene, 3-Br-Py = 3-bromopyridine) using 3-Br-Py as additive. Nevertheless, a successful synthesis of these block copolymers was accomplished by using the designed Mo-based Schrock-type initiators Mo(N-2,6-i-Pr2C6H3)(CHCMe2Ph)(OCH(CH3)2)2 and THF as solvent. The end-functionalization of these block copolymer using (EtO)3SiCH2CH2CH2N=C=O afforded Si(OCH2CH3)-telechelic polymers. Finally, the surface grafting of the thus prepared telechelic polymer on a silica support was also realized as a part of these investigations (Scheme IV).

Das erste Kapitel der vorliegenden Arbeit gibt einen Überblick über den hohen Stellenwert der Metathese im Arbeitsgebiet Polymer-basierter monolithischer Materialien sowie über die historische Entwicklung der Metathesechemie und die Synthese Metathese-basierter Polymere bis hin zur aktuellen Entwicklung und Anwendung.

Das zweite Kapitel dieser Arbeit befasst sich mit der Untersuchung einer neuen und zweckmäßigen Synthese von Aldehyd-semitelechelen ROMP-Polymeren, wobei die Metathesereaktion lebender Ruthenium-Alkyliden Endgruppen mit Sauerstoff verwendet wird (Abbildung 1). Desweiteren werden die vielfältigen Möglichkeiten der Funktionalisierung von ROMP-hergestellten Polymeren nach Terminierung mit Sauerstoff beschrieben und der Nutzen dieser Reaktion für Materialwissenschaften und Biokatalyse diskutiert. Die ROMP von Norborn-2-en (NBE) und cis-Cycloocten (COE) wurde mit definierten Grubbs-Initiatoren wie RuCl2(PCy3)2(=CHPh), [RuCl2(PCy3)(IMesH2)(CHPh)], und [RuCl2(3-Br-Py)2(IMesH2)(CHPh)] (MesH2 = 1,3-bis(2,4,6-trimethylphenyl) imidazolin-2-yliden, PCy3 = tricyclohexylphosphin, 3-Br-Py = 3-bromopyridin) durchgeführt. Die Synthese von Aldehyd-semitelechelen Polymeren durch die Reaktion von lebenden Polymeren mit Luftsauerstoff konnte in Abhängigkeit vom verwendeten Initiator und Monomer bis zu einer Ausbeute von 80% durchgeführt werden. Diese simple Methode wurde anschließend bei der Funktionalisierung ROMP-basierter Monolithen ausgehend von NBE, 1,4,4a,5,8,8a-hexahydro-1,4,5,8-exo-endo-dimethanonaphthalin (DMN-H6) und (NBE-CH2O)3SiCH3 angewandt, um Aldehyd-funktionalisierte Monolithe zu erhalten. Die Menge des gebildeten Aldehyds wurde über die Menge an gebildetem Hydrazon bestimmt. Auf diese Weise konnten bis zu 8 m Aldehydgruppen pro Gramm Monolith erzeugt werden. Schließlich wurden diese Aldehyd-funktionalisierten Monolithe zur Immobilisierung von Trypsin verwendet. Es konnte eine hervorragende proteolytische Aktivität des immobilisierten Enzyms sowohl unter Batch-Bedingungen als auch unter kontinuierlichem Durchfluss beobachtet werden.

Das dritte Kapitel befasst sich mit der Entwicklung eines auf monolithischem Material immobilisierten chiralen bimetallischen Katalysators, der sich unter anderem für enantioselektive Michael-Additionen eignet. Die Immobilisierung von chiralen Katalysatoren hat aufgrund der hohen Kosten des verwendeten Metalls, sowie des chiralen Liganden erhebliche Bedeutung erlangt. Folglich sind Systeme, welche die einfache Abtrennung des teuren chiralen Katalysators von der Reaktionsmischung ermöglichen und eine Produktkontaminierung durch Auswaschen des Metalls verhindern, erstrebenswert und ermöglichen effizientes Recycling. In diesem Kapitel wird die Anwendbarkeit von monolithischen Trägermaterialien, welche durch ROMP zugänglich sind, für die Immobilisierung solcher Katalysatoren untersucht. Ein geeigneter Zugang für die Immobilisierung wurde durch ROMP mittels Grubbs-Katalysatoren der ersten Generation RuCl2(PCy3)2(=CHPh) geschaffen. Norborn-5-en-2-ylmethylhexafluoro-5-oxohexansäure und Mono(norborn-5-en-2-ylmethyl) hexafluoroglutarat wurden hierbei auf die Oberfläche des Monolithen durch Reaktion mit den lebenden Kettenenden aufpolymerisiert (Abbildung 2). Die Immobilisierung des bimetallischen Katalysators mit entsprechenden Gegenion wurde durch die Reaktion des aktivierten Komplexes mit einem aufgepfropften Polymer, welches freie Säurefunktionalitäten besitzt, erfolgreich durchgeführt. Die auf diese Weise aufgebrachten Katalysatoren wurden anschließend in der enantioselektiven Michael-Addition von tert-Butyl 2-cyano-2-phenylacetat an 2-Cyclohexen-1-on am Institut für Organische Chemie, AK Professor Peters, getestet.

Das vierte Kapitel dieser Arbeit beschäftigt sich mit dem bisher unerforschten Ansatz leitfähige, monolithische Materialen mittels Zyklopolymerisation herzustellen, indem Tris(4-methyl-1,6-heptadiin)benzol-1,3,5-tricarboxylat und Bis(4-methyl-1,6-heptadiin)terephthalat als Vernetzer mit 2-Propanol und 1,2-Dichloroethan als Porogene verwendet wurden. N-Hydroxysuccinimid-(1,6-heptadiin-4-yl)carboxylat und 4-Trimethylsiloxymethyl-1,6-heptadiin wurden als funktionelle Monomere und [Ru(CF3COO)2(1,3-dimesitylimidazolin-2-ylidene)(CH-2-(2-PrO)-C6H4)] als Katalysator eingesetzt (Abbildung 3). Durch Elementaranalyse wurde bewiesen, dass etwa 77% der funktionellen Monomere auf der Oberfläche der Mikroglobuli aufgebracht werden konnten. Auf diese Weise sind diese für die Reaktion mit redoxaktiven Katalysatoren, über Aminogruppen, leicht zugänglich. Nach Dotierung mit verschiedenen p-Dotierungsmittel in geeigneten Lösungsmitteln, konnte mit diesen Monolithen eine Leitfähigkeit von 6x10-4 Scm-1 erreicht werden. Darüberhinaus konnte Trypsin erfolgreich auf dem dotierten Trägermaterial immobilisiert werden ohne dass eine Schädigung des Enzyms festgestellt wurde. Dies wurde durch die exzellente proteolytische Aktivität des immobilisierten Enzyms gezeigt. Des Weiteren wurden die Synthese, Charakterisierung und Anwendungsmöglichkeiten dieser neuen monolithischen Materialien in diesem Kapitel beschrieben.

Das Thema des letzten Kapitels ist die Synthese eines telechelen AB-Blockcopolymers von 4,4-Bis(octyloxymethyl)-1,6-heptadiin und Dipropargyl-malonodinitril mittels Metathese-basierter Zyklopolymerisation mit wohldefinierten Molybdän- und Rutheniuminitiatoren. Die Polymerisationen mit Rutheniuminitiatoren führten aufgrund von signifikantem „back biting“ nicht zur Bildung von Blockpolymeren. Daraufhin wurden detaillierte Untersuchungen über den Einfluss der Reaktionsbedingungen auf das Auftreten von „back biting“ für beide Monomere durchgeführt. Es konnten deutliche Verbesserungen in der Unterdrückung des „back bitings“ durch die Verwendung von [Ru(NCO)2(IMesH2)(=CH-2-(2-PrO)-C6H4] und [Ru(NCO)2(3-Br-Py)2(IMesH2)(CHPh)], (IMesH2 = 1,3-dimesytylimidazolin-2-ylidene, 3-Br-Py = 3-bromopyridine) als Katalysatoren für die Zyklopolymerisation erreicht werden. Die erfolgreiche Synthese dieses Blockcoploymers konnte schließlich durch die Verwendung des optimierten Molybdän-Schrock-Katalysators (N-2,6-i-Pr2C6H3)(CHCMe2Ph)(OCH(CH3)2)2 und THF als Lösungsmittel erzielt werden. Daraufhin konnte im Rahmen dieser Untersuchungen die Endgruppenfunktionalisierung des Blockpolymers mit EtO)3SiCH2CH2CH2N=C=O zur Festphasenanbindung an Kieselgel realisiert werden (Abbildung 4).