Development of a New Synthetic Methodology for Sequence-Defined Polymers: Passerini-Iterative Exponential Growth and Their Storage Applications = 서열이 정의된 고분자의 새로운 합성 방법론 개발: 파세리니 반복적 지수 성장법 및 정보 저장 응용

국문 초록 (Abstract)

서열 정의 고분자(sequence-defined polymers, SDPs)는 고분자의 위상적 복잡성과 무관하게 모든 단량체의 화학적 조성, 개수 및 배열 순서를 정밀하게 제어할 수 있는 높은 구조적 다양성을 지니는 물질로서, 그 합성은 여전히 도전적인 과제로 남아 있다. SDPs 개발의 주요 동기는 자기조립, 촉매, 데이터 저장 및 암호화, 이미징, 생물학적 시스템에서의 치료 응용 등 다양한 분야에 걸친 광범위한 잠재적 응용 가능성에 있다. 통계적 분포가 없는 균일한 고분자를 합성하기 위하여 점진적 성장법(incremental growth)과 반복적 지수 성장법(iterative exponential growth, IEG)이 집중적으로 연구되어 왔다. 그러나 이러한 접근법들은 고분자 길이의 한계, 제한된 종류의 단량체로 구성된 비주기적 서열 SDPs의 합성 등과 같은 기존의 한계를 지니고 있다. 따라서 높은 분자량과 향상된 화학적 다양성을 동시에 구현할 수 있는 새로운 SDPs 합성 방법론의 개발은 본 분야에서 매우 중요한 의미를 가지며, 특히 향상된 저장 밀도를 갖는 고분자 매체를 포함한 다양한 응용 분야에서 큰 잠재력을 지닌다.
본 학위논문에서는 높은 구조적 다양성을 갖는 서열 정의 고분자(sequence-defined polymers, SDPs)를 합성하기 위한 새로운 합성 방법론을 보고한다. 정의된 서열로 배열된 다양한 측쇄를 도입할 수 있는 능력은 정보 저장을 포함한 다양한 응용 분야에서 고분자의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 가능성을 제공한다. 이러한 높은 다양성을 구현하기 위해서는 다수의 단량체 풀을 높은 효율로 도입할 수 있는 합성 전략이 요구된다. 본 연구에서는 파세리니 반복적 지수 성장법(Passerini–iterative exponential growth, P-IEG)을 활용함으로써, 추가적인 시약이나 촉매 없이도 결합 반응에 필요한 모든 구성 요소를 동시에 도입할 수 있어, 복잡한 서열을 갖는 SDPs의 효율적인 합성이 가능함을 입증하였다. P-IEG 방법은 높은 정보 저장 밀도를 갖는 합성 고분자 및 성능이 크게 향상된 기능성 고분자 소재의 개발로 확장될 수 있는 잠재력을 지닌 유망한 합성 방법론이다.
소수의 상이한 단량체 풀로 구성된 SDPs에만 적용 가능하여 반복적이거나 비주기적(이진) 서열을 생성하는 데에 한계가 있는 IEG 접근법의 본질적인 문제를 극복하고자 하였다. 이를 위해 파세리니 반복적 지수 성장법(P-IEG)을 적용하여, 128량체의 균일한 폴리(하이드록시부티레이트)(poly(hydroxybutyrate), PHB) (Ð = 1), 서열이 조절된 올리고머, 그리고 화학적으로 구별 가능한 여덟 개의 반복 단위로 구성된 8진 서열(octal sequence)을 인코딩한 SDPs의 효율적인 합성을 보고하였다. Passerini 삼성분 반응이 지니는 조합적 특성에 기인하여, 이관능성 빌딩 블록의 수렴적 결합과 측쇄의 동시 도입이 가능하였으며, 이를 통해 향상된 화학적 다양성을 갖는 기능기들의 절대적으로 정의된 서열을 포함하는 합성 고분자의 구축이 가능함을 입증하였다.
사실상 무한한 단량체 풀을 갖는 SDPs 개발 가능성을 탐구하기 위하여, 병솔형 고분자(bottlebrush polymer) 위상이 가질 수 있는 최대 구조적 복잡성을 고찰하였다. 본 연구에서는 P-IEG 방법을 이용하여 모든 서열이 정의된 병솔형 고분자(all-sequence-defined bottlebrush polymers, ASD-BBPs)를 합성하기 위한 새로운 “grafting-with” 접근법을 보고하였다. 병솔형 고분자를 구성하는 모든 단량체의 화학적 조성, 개수 및 서열에 대한 정밀한 제어를 통해 균일한 BBPs의 합성이 가능하였으며, 동요 「반짝반짝 작은 별(Twinkle, Twinkle, Little Star)」을 인코딩한 ASD-BBP의 구축을 성공적으로 달성하였다. 단일 ASD-BBP의 화학 구조 내에 인코딩된 음악 정보는 다수의 정보 패킷을 포함하고 있으며, 이는 프로그램화된 분해(immolation) 과정과 이후 측쇄의 순차적 서열 분석을 통해 해독될 수 있음을 입증하였다.
다양한 구조를 가진 친수성 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG) 블록과 소수성 폴리스타이렌(polystyrene, PS) 블록으로 구성된 블록 공중합체(block copolymers, BCPs)의 합성을 보고하였다. 리튬 이온의 존재는 고분자 소포체(polymer vesicles)로부터 고분자 큐보좀(polymer cubosomes) 및 헥소좀(hexosomes)을 포함하는 역이중연속(inverse bicontinuous) 구조로의 형태학적 전이를 유도하였다. 이러한 자기조립 구조의 정밀한 조절은 BCPs 내 친수성 블록의 구조적 설계 및 말단 기능기의 변화를 통해 수행되었으며, 이는 염석 효과(salting-out effect)의 정도에 차이를 유발하는 요인으로 작용하였다. 종합적으로, 본 연구 결과는 이온 환경이 BCP 나노구조의 용액 내 자기조립 거동에 영향을 미쳐 형태학적 전이를 유도함에 따라, 이를 효과적으로 구현하기 위한 양친매성 블록 공중합체의 정밀한 분자 설계가 중요함을 입증한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The synthesis of sequence-defined polymers (SDPs) with high structural diversity and precise control over the chemistry, number and sequence of all monomers constituting a polymer regardless of topological complexity remains a challenge. The motivation to develop SDPs is primarily due to the wide range of promising applications spanning self-assembly, catalysis, data storage and encryption, imaging and therapeutic applications in biological systems, and beyond. To synthesize uniform polymers without statistical distribution, incremental growth and iterative exponential growth (IEG) approaches have been intensively studied. However, they exhibit existing limitations such as polymer length and aperiodic sequences of SDPs containing a limited number of monomers. A new synthetic methodology to access high-molecular-weight SDPs with increased chemical diversity would be invaluable in the realm of SDPs, emphasizing the potential in a multitude of applications including macromolecular medium with enhanced storage density.
This dissertation reports a new synthetic methodology to synthesize sequence-defined polymers (SDPs) with high structural diversity. The ability to incorporate diverse side chains arranged in defined sequences broadens the potential of significant improvement in various applications, including information storage. To achieve high diversity, the introduction of a large monomer pool at high efficiency is required. By utilizing the Passerini-IEG (P-IEG) method, the combination of all components necessary for the coupling reaction without additional reagents or catalysts, renders efficient synthesis of SDPs with complex sequences. P-IEG method serves as a synthetic methodology which holds the potential to develop synthetic polymers with higher information storage density and other functional polymeric materials with significantly enhanced performances.
In Chapter 2, we overcome the intrinsic challenge of IEG approach which is limited to SDPs composed of a small pool of distinct monomers, producing repeating or aperiodic (binary) sequences. By using the P-IEG method, we reported the efficient synthesis of 128-mer uniform poly(hydroxybutyrate) (PHB) (Ð = 1), sequence-regulated oligomers, and an SDP encoding an octal sequence constituting eight chemically distinguishable repeating units. Attributing to the combinatorial character of the Passerini three-component reaction, the convergence of bifunctional building blocks and simultaneous side chain implementation facilitated the construction of synthetic polymers containing absolutely defined sequences of functionalities with improved chemical diversity.
In Chapter 3, to explore the potential of developing a SDP with a virtually limitless pool of monomers, we envisaged the maximum structural complexity that a bottlebrush polymer topology could possess. We reported a new “grafting-with” approach for the synthesis of all-sequence-defined bottlebrush polymers (ASD-BBPs) using the P-IEG method. The precise control over the chemistry, number, and sequence of all monomers that made up the BBP enabled the construction of uniform BBPs, and an ASD-BBP encoding the lullaby “Twinkle, Twinkle, Little Star”. The musical information encoded in the chemical structure of a single ASD-BBP encompasses multiple packets of information where the encoded information could be deciphered via programmed immolation and subsequent serial sequencing of side chains.
In Chapter 4, we reported the synthesis of block copolymers (BCPs) composed of tri-arm linear, crown ether end-functionalized or conventional linear hydrophilic polyethylene glycol (PEG) blocks, and hydrophobic polystyrene (PS) blocks. The presence of lithium ions triggers morphological transformation from polymer vesicles to inverse bicontinuous structures including polymer cubosomes and hexosomes. The fine tuning of the self-assembled morphologies is performed by modifying the architecture and end-group functionalized hydrophilic segments in the BCPs, thereby affecting the different extents of salting-out effect. Overall, our results demonstrated the importance of designing amphiphilic block copolymers to facilitate morphological transitions resulting from the ionic environment affecting the solution self-assembly behavior of the BCP nanostructures.

목차 (Table of Contents)

• Abstract
• Table of Contents iv
• List of Figures vii
• List of Tables xiii
• List of Schemes xiv
• Chapter 1. Introduction
• 1.1 Synthetic polymers: An overview 1
• 1.2 Synthetic methodologies for sequence-defined polymers 3
• 1.3 Encoding information in synthetic polymers 10
• 1.4 Sequencing methods for information polymers 13
• 1.5 Summary of thesis 17
• 1.6 References 20
• Chapter 2. High Molecular Weight Uniform Polymers Encoding Octal Sequences by Passerini Iterative Exponential Growth
• 2.1 Abstract 27
• 2.2 Introduction 29
• 2.3 Results and Discussion 33
• 2.4 Conclusion 46
• 2.5 Experimental Section 47
• 2.6 References 52
• Chapter 3. A “Grafting-With” Approach to an All-Sequence-Defined Bottlebrush Polymer
• 3.1 Abstract 59
• 3.2 Introduction 60
• 3.3 Results and Discussion 63
• 3.4 Conclusion 75
• 3.5 Experimental Section 77
• 3.6 References 81
• Chapter 4. Vesicle-to-Cubosome Transition from the Solution Self-Assembly of Branched-Linear Block Copolymers Triggered by the Salting-out Effect of Li ions
• 4.1 Abstract 88
• 4.2 Introduction 89
• 4.3 Results and Discussion 92
• 4.4 Conclusion 104
• 4.5 Experimental Section 105
• 4.6 References 107
• Appendix: Supporting Information
• A.2.1 Characterization data of poly(hydroxybutyrate)s (PHBs) 114
• A.2.2 MALDI-TOF tandem mass (MS/MS) sequencing of PHBs 132
• A.3.1 Characterization data of all-sequence-defined bottlebrush polymers (ASD-BBPs) 142
• A.3.2 Programmed fragmentation of ASD-BBP and MS/MS sequencing 153
• A.4.1 Characterization data of polyethylene-b-polystyrene (PEG-b-PS) block copolymers 163
• A.4.2 SEM and TEM analyses of morphologies self-assembled in solution 166
• Abstract in Korean 172