Amphiphilic Fullerenes for Biomedical and Optoelectronical Applications

Amphiphile Fulleren-Derivate für biomedizinische und optoelektronische Anwendungen

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus-12626
  • Fullerenes have an enormous potential in applications to physics and biology. Specifically [60]fullerene with its unique electronic, optical and structural properties has attracted considerable attention for its application in biomedical materials and optoelectronic devices. In this context the selective functionalization of C60, which allows to combine the parent properties with new attributes like water-solubility or amphiphilicity is still a challenging topic for the synthetic chemist. In the first part of the present work a series of water-soluble anionic and cationic amphiphilic fullerene monoadducts were synthesized. The amphifullerenes are basically composed of a hydrophilic dendriticFullerenes have an enormous potential in applications to physics and biology. Specifically [60]fullerene with its unique electronic, optical and structural properties has attracted considerable attention for its application in biomedical materials and optoelectronic devices. In this context the selective functionalization of C60, which allows to combine the parent properties with new attributes like water-solubility or amphiphilicity is still a challenging topic for the synthetic chemist. In the first part of the present work a series of water-soluble anionic and cationic amphiphilic fullerene monoadducts were synthesized. The amphifullerenes are basically composed of a hydrophilic dendritic branch and a lipophilic moiety, e.g. alkyl chains or unsaturated fatty acids. By the fine tuning of the lipophilic side chain and the size of the dendritic part, a better cell tissue accessibility and biodistribution within lipid rich regions or easier crossing of the blood-brain barrier is expected. In cooperation with C-SIXTY Inc. and PHYLONIX Pharmaceuticals Inc. the antioxidative activity could be determined applying the xanthine/xanthine oxidase/cytochrome c assay. The overall low IC50 values for all tested amphifullerenes showed the pronounced ability of these structures to efficiently deactivate reactive oxygen species. In line with this cooperation zebrafish embryos as a model system were applied to investigate the toxicity and the cytoprotective activities of the new compounds. Unlike previous results on specific carboxyfullerenes, it could be demonstrated, that none of the amphifullerenes exhibited significant toxicity even at very high concentrations. By the comparison of the cytoprotective activities in the series of amphifullerenes, it could be shown, that a specific anionic amphiphilic derivative exhibited cytoprotective activity against both cisplatinum and gentamicin- induced apoptosis and represents a promising platform for the development of new potent anti-apoptosis drugs. In cooperation with the IVANOVIC-BURMAZOVIC group the ability of the amphifullerenes to act as metal free SOD mimetics was investigated by electrochemical, spectrophotometrical and submillisecond mixing UV/Vis stopped-flow measurements. For the first time it could be demonstrated that there is a direct correlation between SOD activity of the water soluble fullerenes and molecular properties such as i) reduction potential, ii) charge and iii) molecular structure. A positively charged fullerene-monoadduct could be identified as very active new lead structure, which approaches the performance of natural Mn- and Fe-SODs. The third part describes the covalent and non-covalent sidewall functionalization of SWCNTs with different fullerene derivatives. Among the available non-covalent functionalization approaches, the pi-pi-stacking of aromatic compounds on the nanotube surface is found to be a viable approach. Since the spherical shape of C60 is not suitable for the formation of strong pi-pi interactions, a pyrene-fullerene conjugate was synthesized. STM investigations could show that the interactions between the SWCNT and the pyrene moiety govern the association of the pyrene-fullerene with the sidewalls of the SWCNT. Furthermore it is possible to remove the pyrene-fullerenes from the SWCNT surface, which results in structures of aligned functional fullerenes. Thereby the SWCNTs act as templates, which preorientate the fullerene molecules and make it possible to transfer these supramolecular structures to substrates in well-defined strands of aligned molecules. In the last part of this work a new concept for the synthesis of fullerene-rich nanostructures is described. For this purpose a cyclo-[2]-octylmalonate monoadduct was synthesized and successfully transferred into the corresponding [5,1]hexakisadduct, applying the DMA mediation method. Due to the presence of a free malonic group within the hexakisadduct, this structure serves as perfect building block for the synthesis of multiple C60-arrays. By means of this precursor compound it was possible to accomplish the synthesis of a dimeric fullerene structure, where two different functional groups are allocated and separated over two C60-spheres in a well-defined way. Beside the unique properties of this amphoteric oligoelectrolyte, this structure is to the best of our knowledge the only example for an asymmetric fullerene dimer so far. Furthermore the precursor was used for the synthesis of a star-shaped fullerene-rich nanocluster. The linkage of six [5,1]hexaksiaddducts to one C60-core gave a nanocluster, which combines a globular structure with an exceptionally high charge density.show moreshow less
  • Fullerene, die neben Graphit und Diamant die dritte Verbindungsgruppe sind, zu der sich reiner Kohlenstoff zusammenschließen kann, besitzen enormes Potential für Anwendungen im Bereich der Physik und Biologie. Speziell Buckminster-Fulleren C60 mit seinen einzigartigen elektronischen, optischen und strukturellen Eigenschaften sorgt für hohe Aufmerksamkeit in biomedizinischen Materialien und optoelektronischen Applikationen. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde eine Serie wasserlöslicher, anionischer und kationischer amphiphiler Fulleren Monoaddukte synthetisiert. Diese Amphifullerene bestehen generell aus einem hydrophilen dendritischen Teil und einer lipophilen Einheit, wie z.B. AlkylkettenFullerene, die neben Graphit und Diamant die dritte Verbindungsgruppe sind, zu der sich reiner Kohlenstoff zusammenschließen kann, besitzen enormes Potential für Anwendungen im Bereich der Physik und Biologie. Speziell Buckminster-Fulleren C60 mit seinen einzigartigen elektronischen, optischen und strukturellen Eigenschaften sorgt für hohe Aufmerksamkeit in biomedizinischen Materialien und optoelektronischen Applikationen. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde eine Serie wasserlöslicher, anionischer und kationischer amphiphiler Fulleren Monoaddukte synthetisiert. Diese Amphifullerene bestehen generell aus einem hydrophilen dendritischen Teil und einer lipophilen Einheit, wie z.B. Alkylketten oder ungesättigte Fettsäuren. Durch die stufenweise Modulierung der lipophilen Gruppe, sollte es möglich sein die Biokompatibilät dieser Verbindungen zu steigern, um auch schwer passierbare physiologische Barrieren wie die Blut-Hirn-Schranke zu durchdringen. Die Evaluierung der antioxidativen und neuroprotektiven Eigenschaften und die Toxizitätsuntersuchungen dieser Substanzen wurden dabei in Kooperation mit C-SIXTY Inc. und PHYLONIX Pharmaceuticals Inc. durchgeführt. Durch die Bestimmung der IC50 Werte mittels Xanthin/Xanthinoxidase/Cytochrom C - Assay, konnte gezeigt werden, dass alle Amphifullerene ausgeprägte antioxidative Eigenschaften besitzen. Weiterhin konnten Tierversuche an Zebrafischen zeigen, dass im Gegensatz zu früher untersuchten Fulleren-Verbindungen, keinerlei toxische oder organtoxische Nebenwirkungen zu beobachten sind. Im Hinblick auf die neuroprotektiven Eigenschaften stellte sich heraus, dass ein spezielles anionisches Amphifulleren äußerst wirkungsvoll sowohl Cisplatin als auch Gentamizin induzierte Apoptose verhindern kann. Um zu prüfen, ob die Amphifullerene das katalytische Potenzial von SOD-Mimetika besitzen, wurde in Kooperation mit dem Arbeitskreis IVANOVIC-BURMAZOVIC elektrochemische, spektrophotometrische und Stopped-Flow Untersuchungen durchgeführt. Zum ersten Mal konnte dadurch gezeigt werden, dass ein direkter Zusammenhang zwischen der SOD Aktivität der wasserlöslichen Amphifullerene und den Moleküleigenschaften, wie i) Reduktionspotential, ii) Ladung und iii) Molekülstruktur besteht. Das positiv geladene Amphifulleren stellte sich in diesem Zusammenhang als äußerst wirkungsvolle Verbindung heraus, die nahezu die katalytischen Umsätze von natürlichen Mn- und Fe-SOD-Enzymen erreicht. Der dritte Teil dieser Arbeit fokussiert auf die kovalente und nicht-kovalente Funktionalisierung von SWCNTs mit verschiedenen Fulleren Derivaten. Unter den verschiedenen Möglichkeiten der nicht-kovalenten Funktionalisierung, stellen vor allem pi-pi-Wechselwirkungen zwischen aromatischen Verbindungen und der SWCNT Oberfläche einen brauchbaren Ansatz dar. Da die spherische, dreidimensionale Struktur von C60 nicht für die Ausbildung starker pi-pi-Wechselwirkungen geeignet ist, wurde als Modifikation ein Pyren-Fulleren Konjugat dargestellt. STM Untersuchungen zeigten dabei, dass aufgrund der aromatischen Wechselwirkungen zwischen Pyren Einheit und SWCNT, die Immobilisierung des Fullerens auf der SWCNT Oberfläche erfolgte. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass ein Entfernen der Fulleren Moleküle von der Oberfläche möglich war und sich dadurch perfekt angeordnete Fulleren- Strukturen realisieren lassen. Dabei agieren die SWCNTs als Strukturtemplate, die eine Vororientierung der Fulleren Moleküle ermöglichen. Die entstehenden supramolekularen Überstrukturen können anschließend auf Substrate übertragen werden, was zur Bildung von hochgeordneten "Fulleren-Drähten" führt. Im letzten Teil dieser Arbeit wurde ein neues Konzept für die Synthese von Nanostrukturen mit hohem C60-Gehalt entwickelt. Zu diesem Zweck wurde ausgehend von Cyclo-[2]-octylmalonat, das entsprechende Monoaddukt synthetisiert, welches erfolgreich mittels DMA zu dem entsprechenden [5,1]Hexakisaddukt umgesetzt werden konnte. Durch die Anwesenheit einer freien Malonat Gruppe in dieser Verbindung eröffnet dieser Baustein die Möglichkeit, Strukturen mit mehreren C60-Kernen herzustellen. Somit war es möglich, eine dimere Fulleren Struktur darzustellen, in der zwei unterschiedlich funktionalisierte C60 Sphären miteinander verbrückt sind. Diese Struktur, die die Eigenschaften eines amphoteren Oligoelektrolyten besitzt, ist nach unserem Wissen bisher die einzige hochsubstituierte, unsymmetrische, dimere Fulleren Struktur. Desweiteren wurde ein sternförmiger" Fulleren Nanocluster synthetisiert. In dieser Struktur sind sechs [5,1]Hexakisaddukte mit einem C60 Kern verbunden, was zu einer äußerst sphärischen Struktur mit extrem hoher Ladungsdichte führt.show moreshow less

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Metadaten
Author:Patrick Witte
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-12626
Advisor:Andreas Hirsch
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of publication:2008
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Naturwissenschaftliche Fakultät
Acceptance date of the thesis:2008/04/25
Release Date:2009/03/03
Tag:Amphiphile; Antioxidantien; Nanostrukturen; Neuroprotektion; Oligoelektrolyte
Amphiphiles; Antioxidant; Nanostructures; Neuroprotection; Oligoelectrolytes
SWD-Keyword:Fulleren
Institutes:Naturwissenschaftliche Fakultät / Naturwissenschaftliche Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 54 Chemie / 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
open_access (DINI-Set):open_access
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