Dendrimere

Struktur von Dendrimeren und Dendrons

Dendrimere (vom griechischen Dendron – der Baum) sind chemische Verbindungen, deren Struktur ausgehend von einem Verzweigungskern gleich einem Baum verästelt ist. Dabei bestehen Dendrimere aus Verästelungen von wiederholenden Einheiten, also eine radiale Symmetrie ergeben. Diese müssen – geht man von einem Kern aus – Verzweigungen enthalten, da sonst eine Kette entsteht. Es kann eine Verzweigung zu zwei oder auch mehr Verknüpfungsstellen geben. Da Dendrimere aufgrund ihrer klar definierten Struktur monodispers sind, zählen sie zu den Kaskadenpolymeren und unterscheiden sich somit von den anderen Polymeren. Die Verzweigungen werden in Schichten aufgebaut, die Generationen genannt werden. Im Querschnitt betrachtet kann wieder der Vergleich des Baumes, diesmal mit seinen Jahresringen angestellt werden. Ein Dendrimer besteht immer aus einem Kern, an dem Dendrone befestigt sind. Dendrone sind regelmäßig verzweigte Makromoleküle.

Zu den Pionieren der Dendrimer-Entwicklung gehört Donald Tomalia.

Synthesestrategien

Divergente Synthese

Die divergente Synthese von Dendrimeren beginnt mit einem Kern mit n Bindungsstellen, an den n Einheiten gebunden werden. Damit die Einheiten nicht polymerisieren, enthalten sie jeweils nur eine aktive Gruppe, die die neue Bindung eingeht. Die funktionellen Gruppen, die im zweiten Syntheseschritt als neue Bindungsstellen dienen sollen, müssen daher zuerst geschützt oder maskiert und erst nach dem ersten Syntheseschritt aktiviert werden. Zusammengefasst wachsen die Dendrimere in der divergenten Synthese schrittweise vom Kern zur Peripherie.

Konvergente Synthese

Bei der konvergenten Synthese werden zuerst die Dendrone von der Peripherie zu ihrem Befestigungspunkt synthetisiert und danach am Kern befestigt. Hier werden Einheiten benötigt, die mehrere funktionelle Gruppen gleicher Reaktivität und eine geschützte oder maskierte Gruppe aufweisen. Diese Methode hat den entscheidenden Vorteil, dass fehlerhafte Dendrimere leicht von den erwünschten getrennt werden können, da ein fehlerhaftes Dendrimer sich in diesem Fall um einen ganzen Dendron vom erwünschten unterscheidet. In der divergenten Synthese kommt es vor, dass nur eine einzige Gruppe in der Peripherie fehlt, solch ein Dendrimer unterscheidet sich dann weder aufgrund seiner Polarität, Größe noch seiner Form von den erwünschten und kann daher nicht entfernt werden (durch Chromatographie o. ä.).

Zur Veranschaulichung ein Beispiel

Hat der Initiatorkern z. B. drei reaktive Gruppen und man erhält durch eine Synthesesequenz eine Verzweigung zu zwei neuen reaktiven Gruppen, so erhält man im ersten Schritt (Generation 0) sechs reaktive Gruppen. In der nächsten Generation sind es bereits zwölf etc.

Man beobachtet demnach ein exponentielles Wachstum der endständigen Gruppen. Das führt in wenigen Syntheseschritten zu sehr großen, komplexen Molekülen. Diese können nicht beliebig groß werden, weil die Packung der endständigen Gruppen immer dichter wird. Die makroskopische Struktur nähert sich dabei einer Kugel an.

Die Verwendung von Dendrimeren basiert zum einen auf der vielfachen Funktionalisierung der Oberfläche, zum anderen auf der Möglichkeit, die unterschiedliche chemische Umgebung des Innenraums auszunutzen, was quasi zu molekularen Kapseln führt.

Literatur

• Hans-Bernhard Mekelburger, Wilfried Jaworek, Fritz Vögtle: Dendrimere, Arborole und Kaskadenmoleküle: Aufbruch zu neuen Materialien im Generationentakt. In: Angewandte Chemie. 104, 12, 1992, S. 1609–1614, doi:10.1002/ange.19921041206.
• Donald Tomalia, H. Durst: Genealogically directed synthesis: Starburst/cascade dendrimers and hyperbranched structures. In: Topics in Current Chemistry. 1993, S. 193–313, doi:10.1007/BFb0111285.
• Donald A. Tomalia, Adel M. Naylor, William A. Goddard III: Starburst-Dendrimere: Kontrolle von Größe, Gestalt, Oberflächenchemie, Topologie und Flexibilität beim Übergang von Atomen zu makroskopischer Materie. In: Angewandte Chemie. 102, 2, 1990, S. 119–157, doi:10.1002/ange.19901020204.
• Jörg Issberner, Rolf Moors, Fritz Vögtle: Dendrimere: von Generationen zu Funktionalitäten und Funktionen. In: Angewandte Chemie. 106, 23–24, 1994, S. 2507–2514, doi:10.1002/ange.19941062308.
• Marco Fischer, Fritz Vögtle: Dendrimere: vom Design zur Anwendung – ein Fortschrittsbericht. In: Angewandte Chemie. 111, 7, 1999, S. 934–955, doi:10.1002/(SICI)1521-3757(19990401)111:7<934::AID-ANGE934>3.0.CO;2-4.