Molekulare Klettverschlüsse zur reversiblen Bindung makroskopischer Oberflächen
Final Report Abstract
Die Natur diente zahlreichen technischen Entwicklungen als Vorlage. Prominente Beispiele sind z.B. der Stacheldraht (entwickelt um 1870 nach Vorlage der Osagedorn-Pflanze) oder schmutzabweisende Beschichtungen (entwickelt ab 1997 nach Vorlage der Lotuspflanze). Vielen modernen Weiter- oder Neuentwicklungen liegt dabei eine Miniaturisierung des natürlichen Konzepts zugrunde. Ausgehend von makroskopischen strukturellen Funktionalitäten wird dabei ein auf mikroskopischer Ebene strukturiertes Objekt erschaffen. Die weitest denkbare Miniaturisierung findet sich im molekularen Aufbau wieder, bei der die funktionelle Eigenschaft der Objekte durch atomare Wechselwirkungen widergespiegelt wird. Dies führt nicht nur zu einem gänzlich anderen optischen und haptischen Eindruck, da die Strukturen nicht mehr physisch wahrnehmbar sind, sondern auch zu gänzlich anderen Möglichkeiten zur Steuerung der wechselwirkenden Kräfte. Der aus dem Alltag bekannte Klettverschluss geht auf die natürliche Vorlage der Klette zurück. Im vorliegenden Projekt wurde schrittweise das Prinzip eines Klettverschlusses auf die atomare Ebene übertragen. Dazu wurden zwei grundlegend unterschiedlich funktionalisierte Copolymere dargestellt, wobei weiches Poly(n-butylacrylat) (bekannt von der Rückseite des Tesafilms) in beiden Fällen als Basismonomer diente. Durch Copolymerisation mit 4-Vinylpyridin wurde ein N-Donor funktionalisiertes Copolymer dargestellt, welches eine Seite des Klettverschlusses darstellt. Die kontrolliert radikalische Polymerisation und Metallionen-induzierte Vernetzung dieses Copolymers bildete die Grundlage für ein neues Forschungsprojekt. Das für das zugehörige Gegenstück des Klettverschlusses notwendige Porphyrin-tragende Monomer musste in ausreichender Menge synthetisiert werden, wobei mehrere Synthesewege sich aus unterschiedlichen Gründen (aufwändige Aufreinigung mittels HPLC, geringe Ausbeuten) als unpraktikabel erwiesen. In Analogie zu einem schrittweisen, literaturbekannten Aufbau wurde ein neues m-Vinyl-substituiertes Porphyrinderivat mit vertretbarem Aufwand in ausreichender Menge dargestellt. Auch die Copolymerisation des Porphyrin-Derivates erwies sich als unerwartet komplex, da eine schwierige Aufreinigung des Polymers von nicht umgesetztem Monomer notwendig war. Nach verschiedenen Versuchen u.a. mittels Dialyse gelang es schließlich mittels Zentrifugen- Membranfiltration ein sauberes Copolymer zu gewinnen. Die Porphyrin-Funktionalitäten dieses Copolymers wurden mit Metall-Ionen versehen und die Bedeckung mit Metall-Ionen wurde UV- spektroskopisch nachgewiesen. Damit konnte die zweite Seite des Klettverschlusses erhalten werden. Die beiden Komponenten des Klettverschlusses wurden vereinigt, und mittels GPC und diffusionsaufgelöster NMR-Spektroskopie konnte die vollständige Fällung einer der beiden Komponenten - und damit ein Schließen des Klettverschlusses - in Form eines unlöslichen Netzwerks nachgewiesen werden. Die Koordination der Pyridin-Funktionalität an das Zentralmetall der Porphyrin- Funktionalität konnte zudem UV-spektroskopisch und mittels quantenchemischer Rechnungen untersucht werden. Derzeit werden noch Versuche zur temperaturabhängigen Reversibilität der Koordination durchgeführt. Darüber hinaus wurden die Grundlagen gelegt, um beide funktionellen Polymere durch eine Polymerisation ausgehend von Silicium-Oberflächen an makroskopische Objekte kovalent anzubinden. Die Copolymerisation des Porphyrin-haltigen Monomers stellte sich auch in diesem Teilprojekt als schwierig heraus, so dass Ergebnisse zur Wechselwirkung der Oberflächen noch nicht erhalten werden konnten. Insgesamt konnten beide Bestandteile des Klettverschluss-Systems erfolgreich dargestellt und ihre attraktive Wechselwirkung bestätigt werden. Das Porphyrin-Gerüst stellte sich in einigen Aspekten jedoch als unerwartet schwierig heraus, so dass insbesondere bis zur Synthese dieses Bausteins zahlreiche Probleme überwunden werden mussten. Der wissenschaftlich interessante Erkenntnisgewinn findet bei diesem Projekt erst mit der finalen Vereinigung der Komponenten statt, so dass eine Publikation erst nach den aktuell noch laufenden Versuchen zur Reversibilität des Klettverschlusses erfolgen kann.
