• No results found

Multi-step non-covalent pathways to supramolecular systems

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Multi-step non-covalent pathways to supramolecular systems"

Copied!
213
0
0

Bezig met laden.... (Bekijk nu de volledige tekst)

Hele tekst

(1)

Multi-step non-covalent pathways to supramolecular systems

Citation for published version (APA):

Hermans, T. M. (2010). Multi-step non-covalent pathways to supramolecular systems. Technische Universiteit

Eindhoven. https://doi.org/10.6100/IR672791

DOI:

10.6100/IR672791

Document status and date:

Published: 01/01/2010

Document Version:

Publisher’s PDF, also known as Version of Record (includes final page, issue and volume numbers)

Please check the document version of this publication:

• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can be

important differences between the submitted version and the official published version of record. People

interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the

DOI to the publisher's website.

• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.

• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page

numbers.

Link to publication

General rights

Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain

• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.

If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, please follow below link for the End User Agreement:

www.tue.nl/taverne

Take down policy

If you believe that this document breaches copyright please contact us at: openaccess@tue.nl

(2)

 

 

 

 

 

 

Multi-step non-covalent pathways to

supramolecular systems

 

 

 

 

 

 

PROEFSCHRIFT 

      ter verkrijging van de graad van doctor aan de  Technische Universiteit Eindhoven, op gezag van de  rector magnificus, prof.dr.ir. C.J. van Duijn, voor een  commissie aangewezen door het College voor  Promoties in het openbaar te verdedigen  op donderdag 6 mei 2010 om 16.00 uur 

 

      door           

Thomas Marinus Hermans 

 

geboren te Turnhout, België   

(3)

Dit proefschrift is goedgekeurd door de promotor:    prof.dr. E.W. Meijer        Copromotor:  dr.ir. M.H.P. van Genderen                                         

This  research  has  been  financially  supported  by  the  BSIK  program  entitled:  Molecular  Imaging of Ischemic Heart Disease (project number BSIK03033)    A catalogue record is available from the Library of the Eindhoven University of Technology  ISBN: 978‐90‐386‐2218‐7    © T.M. Hermans 2010          Cover design: ICMS animation studio (Koen Pieterse)    Printed by: Wöhrmann print service (WPS), Zutphen, The Netherlands 

(4)

 

 

 

 

 

 

Multi-step non-covalent pathways to

supramolecular systems

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Kerncommissie:  prof.dr. E.W. Meijer (Technische Universiteit Eindhoven)  dr.ir. M.H.P. van Genderen (Technische Universiteit Eindhoven)  prof.habil.dr. G. Fytas (University of Crete, IESL‐FORTH & Max Planck Institute for Polymer  Research Mainz)  dr. A.P.H.J. Schenning (Technische Universiteit Eindhoven)  prof.dr. B.A. Grzybowski (Northwestern University)    Overige commissieleden:  prof.dr. J.A. Put (Universiteit Hasselt & DSM Innovation Center)  prof.dr.ir. H.E.H. Meijer (Technische Universiteit Eindhoven)    Voorzitter:  prof.dr.ir. B.M. ter Haar Romenij (Technische Universiteit Eindhoven) 

(5)
(6)

Brief Contents

Chapter  1  Self‐assembled structures using supramolecular building blocks  1      Chapter  2  Dendrimer‐based guest–host complexes in chloroform  23      Chapter  3  Multi‐step non‐covalent synthesis leading to   69      dendrimer‐based assemblies in water    Chapter  4  Dilution‐induced self‐assembly of dendrimer‐based   81      guest–host particles in water    Chapter  5  Multivalent supramolecular dendrimer‐based drugs  101      Chapter  6  Tunable supramolecular hydrogels  117      Chapter  7  Supramolecular guest–host interactions   141      studied by H‐cell microfluidics    Epilogue  Conclusions and outlook  185    Summary    187    Samenvatting    191    Curriculum Vitae  195    List of Publications  197    Dankwoord    199     

(7)
(8)

Contents

Chapter  1    Self‐assembled structures using supramolecular building blocks  1  1.1  Self‐assembly: structures arising from building blocks  2  1.2  Self‐assembly kinetics: influences of diffusion, interaction probability   7    and reversibility of interactions  1.3  Timescale of interactions versus timescale of analysis  11  1.4  Supramolecular Chemistry: non‐covalent assembly of building blocks  13  1.5  Better control over self‐assembly: stepwise self‐assembly  14  1.6  Aim and outline of this thesis  17  1.7  References    20    Chapter  2    Dendrimer‐based guest–host complexes in chloroform  23  2.1  Introduction    24  2.2  Non‐covalent dendrimer interactions: the urea–adamantyl motif  28    2.2.1  Guest–host binding investigated: introduction  29    2.2.2  Guest–host binding investigated: results from 1 H DOSY NMR  34    2.2.3  Influence of guest–guest dimerization on guest–host binding  35  2.3  Multivalent guest molecules  38    2.3.1  Introduction to multivalency  38    2.3.2  Synthetic route to multivalent molecules  38    2.3.3  Multivalency theory: non‐cooperative binding leads to chelate cooperativity  41    2.3.4  Results: guest–guest interactions  45    2.3.5  Results: multivalent guest–host interactions  46    2.3.6  Discussion  49  2.4  General conclusions  51  2.5  Experimental section  52  2.6  References    59  2.7  Appendices    62    2.7.1  Appendix: MAPLE script for multivalent guest molecules  62 

  2.7.2  Appendix: Determining Ceff by molecular dynamics  66 

  Chapter 3  Multi‐step non‐covalent synthesis leading to dendrimer‐based assemblies in water   69  3.1  Introduction    70    3.1.1  Introduction to magic angle spinning (MAS) NMR  71  3.2  Analyzing the guest–host complexes in the neat state by MAS NMR  72  3.3  From the neat state towards aqueous solution: atomic force microscopy  74 

(9)

3.5  Concluding remarks  77  3.6  Experimental section  78  3.7  References    78  3.8  Appendix     79    Chapter  4    Dilution‐induced self‐assembly of dendrimer‐based guest–host particles in water  81  4.1  Introduction    82  4.2  Results trapped‐core particles (n/B < 1) in aqueous solution  83  4.3  Results patchy particles (n/B > 1) in aqueous solution  87  4.4  Conclusions and discussion  93  4.5  Experimental section  94  4.6  References    97  4.7  Appendix     99    Chapter 5    Multivalent supramolecular dendrimer‐based drugs  101  5.1  Introduction    102  5.2  Approach to supramolecular polymer therapeutics  102  5.3  Affinity of the guest molecules towards the 5‐HT3 receptor  103  5.4  Affinity of the guest molecules towards the dendrimer host in chloroform  104  5.5  Guest–host complexes of dendrimer host and bioactive guests in water  107  5.6  Concluding remarks  108  5.7  Experimental section  109  5.8  References    114  5.9  Appendix     115    Chapter  6    Tunable supramolecular hydrogels  117  6.1  Introduction    118    6.1.1  Multiple hydrogen‐bonding supramolecular polymers  119  6.2  Synthesis and macroscopic analysis of UPy‐hydrogelators  120  6.3  UPy‐10‐PEG‐Zk polymers  122    6.3.1.  UPy‐10‐PEG‐Zk polymers: neat state analysis  122    6.3.2  UPy‐10‐PEG‐Zk polymers: dilute aqueous solution  123    6.3.3  UPy‐10‐PEG‐Zk polymers: hydrogels at higher concentrations  125  6.4  UPy‐10‐PEG‐Zk hydrogels: a drug release model system  128  6.5  UPy‐based supramolecular hydrogels for growth factor delivery  129  6.6  Concluding remarks  131  6.7  Experimental section  133 

(10)

6.9  Appendix     139    Chapter  7    Supramolecular guest–host interactions studied by H‐cell microfluidics  141  7.1  Introduction to microfluidics: fluid handling at a small scale  142  7.2  The H‐cell    144    7.2.1  The H‐cell: introduction  144    7.2.2  Diffusion in an H‐cell: influence of pressure‐driven flow  148  7.3  Results: diffusion in the H‐cell by confocal microscopy  151  7.4  Guest–host binding in the H‐cell  155    7.4.1  Guest–host binding in the H‐cell: theory and simulations  155    7.4.2  Guest–host binding in the H‐cell: model systems  159  7.5  Binding interactions in the UPy‐10‐PEG‐10k system  161    7.5.1  Fluorescence correlation spectroscopy on UPy‐Rho and UPy‐10‐PEG‐10k  162    7.5.2  H‐cell experiments on UPy‐Rho and UPy‐10‐PEG‐10k  165    7.5.3   Discussion  169  7.6  General conclusions  172  7.7  Experimental section  174  7.8  References    177  7.9  Appendices    179    7.9.1  Appendix: additional FCS analysis  179    7.9.2  Appendix: MATLAB data conversion script  179    7.9.3  Appendix: MATLAB model and fitting procedure  181    7.9.4  Appendix: Additional fits of H‐cell experiments type 1, 2 and 3 (micelle)  184    Epilogue    185    Summary    187    Samenvatting    191    Curriculum Vitae  195    List of Publications  197    Dankwoord    199     

(11)
(12)

1

Self-assembled structures using supramolecular

(13)

1.1 Self‐assembly: structures arising from building blocks 

Self‐assembly is the reversible organization of pre‐existing building blocks into ordered  structures without human intervention.1

 This magical order from disorder is very appealing  to  the  human  eye  and  common  in  natural  systems.  There  is  a  limit,  however,  to  the  operational  domain  of  these  spontaneous  assembly  processes,  which  is  mainly  determined  by the size of the building blocks and the patience of the researcher. Frenkel’s definition of  this  limit  says  that  the  building  blocks  should  be  able  to  move  around  due  to  thermal  (“Brownian”) motion and that they should do so at a reasonable timescale.2  A benchmark for  this (“Smoluchowski”) time is the time (τ) it takes a particle to move its own diameter, which  is defined by:    3 3 ( ) 2 k TB       (1.1) 

Where  η  is  the  viscosity  of  the  solution,  σ  the  particle  diameter  (spherical),  kB  Boltzmann’s 

constant  and  T  the  temperature.  For  a  1  μm  particle  this  in  the  order  of  seconds,  but  for  a  1 kg  brick  in  a  density  matched  solvent  it  is already  10 million  years  (τ ~ σ3

). Basically, the  interesting regime on a human timescale is found for particles smaller than about 1 μm.  

For successful self‐assembly to take place, not only should the building blocks be able  to  move  around,  they  should  also  interact  with  one  another.  These  interactions  can  be  attractive  or  repulsive  and  stem  from different  origins.  For  molecules  we  distinguish: ionic  (Coulomb;  attractive/repulsive),  van  der  Waals  (London  dispersion;  attractive),  dipole– dipole  (Coulomb,  Debye,  Keesom,  London;  attractive/repulsive),  hydrogen‐bonding  (attractive) and aromatic (π–π; attractive) interactions, which all have different strengths and  scaling  relations  (with  respect  to  distance).  The  summation  of  attractive  and  repulsive  components  yields  an  overall  interaction  potential,  which  can  be  used  to  describe  the  interaction  between  two  and  eventually  multiple  building  blocks  (Figure  1.1).  The  scaling  with  distance  (~  r–n)  of  the  attractive  forces  is  typically  in  the  order  of  n  =  1  to  n  =  7  and  relatively  long‐range  compared  to  the  repulsive  forces,  n  =  9  to  n  =  15  (Figure  1.1).  The  interaction potential depends on the chemical environment surrounding the building blocks,  which is in most cases dominated by the solvent used to solubilize the components. 

The  interactions  between  building  blocks  larger  than  small  molecules  (e.g.  protein  or  colloids)  and/or  surfaces  have  been  described  using  similar  scaling  relations:  electrostatic  (attractive/repulsive),  van  der  Waals  (attractive),  steric  (repulsive),  hydrophobic  (attractive)  and capillary/menisci (attractive/repulsive) interactions.3

 Repulsion can be caused by the fact  that solid bodies cannot interpenetrate (due to the Pauli exclusion principle), by short‐ranged  Coulomb  interactions  or  because  of  entropic  contributions  (e.g.  a  polymer  brush  on  a  colloid).  These  types  of  potentials  hold  for  particles  that  have  the  same  interactions  in  all  directions: so‐called isotropic particles (Figure 1.3a).  

(14)

 

Figure  1.1:  The  interaction  energy  versus  the  distance  between  two  isotropic  building  blocks.  The  summation  of  the  attractive  and  repulsive  interactions  is  called  the  interaction  potential.  The  well‐ known  Lennard–Jones  potential  (LJ),  used  for  molecular  size  building  blocks,  is  an  example  of  an  interaction  potential  built  up  from  a  repulsive  (r–12

)  and  attractive  (r–6

)  component  (ξ  and  β  are  constants).  An  analogous  potential  for  larger  building  blocks  is  the  Derjaguin–Landau–Verwey‐ Overbeek  or  DLVO  potential.4  The  hatched  area  cannot  be  reached  since  the  building  blocks  are  touching each other (r = 2Rs).  Such isotropic particles can assemble into well‐organized structures at different length  scales (Figure 1.2). Most of the interactions acting between the building blocks can be tuned  by changing the composition of the solvent in which the self‐assembly is being performed.  a b c   Figure 1.2. Assemblies of isotropic building blocks (like those schematically depicted in Figure 1.3a) at  different length scales. a) A thin gold film imaged using a 1 MV field emission microscope showing  individual gold atoms (scale bar is 250 pm).5  b) AB2 super lattice of 9 nm PbSe (A) and 3.4 nm CdSe (B)  nanoparticles  (scale  bar  is  20  nm).6

  c)  AB3  super  lattice  of  203  nm  (A)  and  101  nm  (B)  silica  nanoparticles (scale bar is 5 μm).7

 

Many  types  of  established  potentials  (i.e.  the  summation  of  attractive  and  repulsive  interactions),  such  as  the  Yukawa‐type,  hard‐sphere  and  sticky  Baxter,  have  been  successfully used to describe a wide range of self‐assembly processes. This is in some cases  quite  remarkable if the building blocks described are examined in more detail. Proteins for  example  are  very  inhomogeneous  particles  with  often  charged  or  hydrophobic  patches  present at their surface. Applying one of the previously described potentials to such a system  seems  awkward,  since  they  are  all  spherically  symmetric,  or  in  other  words,  the  attractive  and repulsive interactions are assumed to be the same in all directions. Recently, models that  do explicitly include attractive or repulsive patches on the surface of the particles have been 

(15)

developed and they show a wealth of intricate modes of self‐assembly not seen before in the  spherically symmetric models (Figure 1.3.b and c).8–12   N N R O H N H N O H R N N R O H N H N O H R N N N N O N O N R H R H H H N N N N O N O N R H R H H H N N N N O N O N R H R H H H N N N N O N O N R H R H H H N N N N O N O N R H R H H H N N N N O N O N R H R H H H a b c = =  

Figure  1.3:  Symmetric  versus  non‐symmetric  interactions.  a)  A  spherically  symmetric  interaction  potential,  analogous  to  for  example  an  ion–ion  interaction.  Ordered  structures  like  e.g.  the  NaCl  crystal  lattice  can  be  obtained  when  the  attractive  forces  are  large  enough.  b)  An  attractive  patch  is  positioned  at  a  fixed  location  on  the  surface  of  the  building  block,  which  gives  rise  to  various  interesting structures that cannot be obtained with a spherically symmetric potential. c) If one patch is  present per building block, dimers are formed; two patches under a 60 degree angle can give rise to  hexamer rosettes. Molecular analogues based on multiple hydrogen‐bonding systems are shown next  to the structures: the quadruple hydrogen‐bonding ureidopyrimidinone dimer13  and macromolecular  rosettes14 .    Figure 1.4. Various anisotropic building blocks. a) An assembly consisting of 8 nm gold nanoparticles  connected to a 31 nm gold particle using complementary DNA strands (scale bar is 20 nm)15 . b) Small  gold  nanoparticles  ligated  to  a  (cowpea  mosaic)  virus  particle  (scale  bar  is  5  nm).  On  the  right  the  schematic representation of the assembly is shown.16 c) Polymer nanoparticles with bumpy and chain‐ segregated surfaces (scale bar is 100 nm).17

 d) Tetrapod particles obtained by linking CdSe nanorods to  the  tetravalent  avidin  protein  using  a  biotin  linker  (scale  bar  is  100  nm).18

  e)  Macroscopic  PDMS  hexagons  with  alternating  hydrophobic  and  hydrophilic  edges  self‐assemble  into  open  networks  (scale  bar  is  1  cm).7

  f)  A  tetrahedral  particle  consisting  of  four  polystyrene  particles  (scale  bar  is  1  μm).19

 g) ABA ternary particles made using a microfluidic flow focusing device (scale bar is 100 μm).20  

In  supramolecular  chemistry  the  hydrogen  bond  has  for  long  been  used  to  create  a  highly  directional  interaction  (Figure  1.3c).  More  recently,  also  anisotropic  (nano)particles  have been developed with a rich structural variety. These particles can be isotropic in shape, 

(16)

but  have  anisotropic  interactions  or  they  can  be  anisotropic  in  both  aspects.  How  the  self‐ assembly process changes for such particles has been studied in macroscopic systems (Figure  1.4e), however, for manmade micro‐ and nanoscopic anisotropic building blocks such studies  are still at an early stage. 

A  conceptually  more  difficult  aspect  of  assembly  is  the  contribution  of  enthalpy  (H)  and entropy (S) to the self‐assembly process. Let’s assume the temperature (T), the pressure  and  the  number  of  molecules  stay  constant  during  self‐assembly.  The  process  will  occur  spontaneously when the change (Δ) in Gibbs free energy (G) is negative, ΔG = ΔH – TΔS < 0.  This  is  true  for  ΔH  <  0,  ΔS  ≈  0  (enthalpy  driven)  or  ΔS  >  0,  ΔH  ≈  0  (entropy  driven)  or  a  combination  of  the  two.  Since  a  self‐assembled  structure  looks  more  ordered  than  an  isotropic solution of the building blocks one would expect it to have less freedom (ΔS < 0); it  is thus often concluded that enthalpy is needed to counterbalance the entropic contribution.  However, many  rod‐like  systems  self‐assemble  into  ordered  patterns  even  when they  have  additional repulsive interactions making the assembly enthalpically unfavorable. Such rods  actually  have  more  degrees  of  freedom  in  the  ordered  state  even  though  this  is  counterintuitive at first sight. 

 

Figure  1.5:  Schematic  representation  of  stability.  If  the  energy  barrier  (ΔEc)  is  much  larger  than  the  thermal energy (kBT) the system will not overcome it and will remain kinetically stable. If the barrier, 

however, is around or below kBT the systems will eventually reach its thermodynamically stable state 

(before  reaching  this  lowest  energy  state  it  is  called  metastable).  Scheme  adjusted  from  Hiemenz– Rajagopalan.21

 

Irrespective of the driving forces for the assembly process, the question is often if a true  thermodynamic equilibrium state can be reached (Figure 1.5). If the transition of diamond to  graphite  is  considered,  thermodynamic  equilibrium  is  not  very  relevant.  What  is  more  interesting  is  whether  a  system  is  stable  in  the  time  it  is  analyzed  or  used,  which  does  not  mean  there  cannot  be  dynamics.  Stable  assemblies  can  consist  of  many  building  blocks  constantly moving about or exchanging, while on average maintaining the overall structure.  Moreover,  the preparation  method  taken  to  obtain  the  final  structure  is  of  key  importance.    

(17)

The  toolbox  to  steer  the  building  blocks  along  certain  pathways  through  the  energy  landscape—dictating  the  eventually  obtained  structure—is  ever  expanding.  In  molecular  systems  this  is  termed  stepwise  non‐covalent  synthesis,  which  will  be  explained  in  more  detail in section 1.5. 

Lastly,  systems  do  not  have  to  be  in  a  local  or  global  energy  minimum,  referring  to  kinetic  and  thermodynamic  stability,  respectively,  to  be  able  to  form  well‐ordered  assemblies. Actually, in Nature many assemblies manage to reside in yet another state, not in  a  local  or  global  energy  minimum.  Such  systems  need  to  dissipate  energy  and  produce  entropy constantly to retain their structure. They are referred to as self‐organized structures  or dynamic self‐assemblies22

, though attempts to make this nomenclature universal have not  succeeded  yet.  As  soon  as  the  energy  flow  is  stopped,  the  assemblies  disintegrate.  Traditional  thermodynamics  cannot  be  used  to  describe  such  self‐organized  systems  and  new theory is at this point non‐existent.*  Non-dissipating (Thermodynamically or kinetically stable) Dissipating (Non-equilibrium) dE1 dE2 dQ2 dQ1  

Figure  1.6:  Schematic  representation  of  the  differences  between  an  ordered  structure  formed  from  building  blocks  under  thermodynamic  equilibrium  or  which  is  kinetically  stable  (on  the  left).  The  system retains its order when it is in a closed environment (i.e. no energy is exchanged). For a non‐ equilibrium  structure  (on  the  right)  energy  has  to  be  supplied  to  the  system  constantly  (dE1).  A  different rate of energy influx (dE2) can result in a different structure. For all non‐equilibrium systems  an  arrest  of  the  energy  supply  results  in  disintegration  of  the  structure.  Scheme  adjusted  from  reference 22. 

Many  biological  assemblies  are  self‐organized  and  are  sustained  by  the  ATP–ADP  (adenosine  tri‐  and  diphosphate,  respectively)  cycle  of  the  metabolic  process.  Rotating  magnetic  fields  were  used  by  Grzybowski  et  al.  to  obtain  one  of  the  few  manmade  self‐ organized  assemblies.23–24  Small  polymer  discs  attract  each  other  because  they  contain  magnetite  and  thus  act  as  small  magnets.  Repulsive  interactions  between  the  discs  are  induced  by  spinning  them  about  their  axis,  creating  a  local  fluid  motion  in  their  vicinity  (Figure 1.7).  

So  far  we  have  seen  that  for  the  spontaneous  assembly  of  building  blocks  <  1  μm  a  range of (a)symmetric attractive and repulsive interactions have to be tuned along a specific 

(18)

pathway to arrive at the desired stable (dissipating or non‐dissipating) structure. The rate at  which the building blocks assemble can have a large impact on the structure, which will be  described in the next section.  

 

Figure 1.7. Magnetic millimeter‐sized discs form self‐organized patterns at the air–water interface by  the  interplay  of  magnetic  attraction  and  hydrodynamic  repulsion.  a)  The  discs  float  on  the  liquid  surface and rotate around their axis at the same speed (ω) as the magnet under the discs. b) Various  patterns can be obtained from isotropic discs depending on the number present in the system (shown  1  to  6  discs).  c)  Chiral  discs  (R and  S)  have  more  complex  behavior.  Like  for  the  isotropic  discs  the  structure  depends  on  ω,  but  the  handedness  of  rotation  of  the  macroscopic  magnet  is  now  an  additional factor that contributes to the various structures. Figure modified from references 23‐24. 

1.2  Self‐assembly  kinetics:  influences  of  diffusion,  interaction  probability  and  reversibility of interactions 

So far, a number of possibilities to obtain ordered structures from building blocks were  described. To arrive at such a stable state takes time, which is described by kinetics. In this  section chemical or enzymatic kinetics will not be considered. To start off easy, we consider  the assembly of identical, spherical particles with an isotropic force distribution (Figure 1.3a)  in  solution  (monomers).  Depending  on  the  magnitude  of  the  effective  attraction,  the  probability of adhesion on contact (pa) is variable. So, when pa = 1 the monomers always stick 

to each other upon contact, for pa smaller than 1 the chance of sticking is less than unity and 

for  pa  equals  zero  they  do  not  stick  at  all.  In  the  former  case,  the  growth  of  assemblies  of 

many  monomers  is  limited  by  the  rate  at  which  new  monomers  can  be  supplied  to  the  growing  structure,  which  is  called  “diffusion‐limited”.  For  pa smaller  than  1  the  monomers 

have  already  diffused  towards  the  structure,  but  they  need  several  tries  to  finally  attach  yielding  much  denser  structures,  which  is  termed  “reaction‐limited”  (Figure  1.8).  In  the  simplest  case  only  the  monomers  attach  to  the  growing  structure  (“monomer–cluster”  assembly, Figure 1.8). In solution, however, it is likely that small monomer clusters, formed  at  the  same  time,  will  at  some  point  encounter  each  other  and  stick  together  (“cluster– cluster” assembly, Figure 1.8). 

(19)

“Eden” “Witten-Sander” RLCCA RLMCA DLMCA DLCCA df = 3.00 df = 2.50 df = 2.09 df = 1.80 Reaction-Limited Diffusion-Limited Monomer–Cluster Cluster–Cluster   Figure 1.8. Assemblies of identical spherical particles obtained by computer simulations using various  irreversible growth mechanisms in solution (the particles move by Brownian motion).21  The Eden or  reaction‐limited  monomer–cluster  assembly  (RLMCA)  is  formed  by  monomers  being  added  to  a  growing  structure  with  a  chance  of  sticking  less  than  unity,  yielding  a  dense  assembly.  If  the  monomers  stick  to  the  first  branch  of  the  structure  they  encounter  a  more  open  structure  is  formed  (Witten–Sander or diffusion‐limited monomer–cluster assembly). If not just monomers, but also small  clusters  of  monomers  can  stick  to  each  other  (cluster–cluster  assembly)  also  in  the  reaction‐limited  case (i.e. reaction‐limited cluster–cluster assembly) more open structures are formed. The quantity df 

refers  to  the  fractal  dimension  of  the  formed  structure.  The  least  dense  assemblies  are  formed  for  diffusion‐limited cluster‐cluster assembly (DLCCA). 

In  other  words,  there  is  not  just  a  single  structure  present  in  solution  (as  shown  in  Figure  1.8),  but  many  monomers  are  in  close  proximity  that  eventually  form  a  single  structure (system‐wide percolation). In practice such highly percolated systems are described  as  gels,  because  the  solid  percolating  phase  (i.e.  the  assembled  monomers)  is  retaining  the  continuous  liquid  phase  by  capillary  forces.  In  Figure  1.9  two‐dimensional  simulations  are  shown  of  diffusion‐limited  cluster–cluster  assembly  at  different  initial  concentrations  of  monomers.  A  high  initial  concentration  leads  to  fast  gelation  and  a  dense  fractal  network.  Lower concentrations yield a more open structure, which needs more time to form.  

The  types  of  structures shown  in  Figure  1.8  and  Figure  1.9  are  characteristic  for  their  growth mechanism, but if we were to repeat the same simulation with the same settings we  would  not  get  the  exact  same  structure.  It  would  look  similar,  but  the  structures  will  have  slight differences. To describe these apparently irregular structures quantitatively a different  method is needed.  

(20)

a b t = 0 t = 100 t = 16799 (gel) t = 0 t = 10 t = 394 (gel) time time time time  

Figure  1.9.  Two‐dimensional  simulations of  irreversible  diffusion‐limited  cluster–cluster  assembly  at  two  different  concentrations  starting  from  monomer  building  blocks.  a)  A  dilute  solution  (number  density  equals  0.1)  at  simulations  times  0,  100  and  16799  (gel).  b)  A  concentrated  solution  (number  density equals 0.3) at times 0, 10 and 394 (gel). For high concentrations the gel state (fully percolated  network) is reached much sooner. Adjusted from reference 25. 

Assume  for  the  moment  that  a  certain  assembly  is  completely  solid,  without  any  interstitial space, and that its density ρ is equal to that of the monomers. Then, the mass of  the total assembly m with a radius r will be: 

  m(4 / 3)r3

  (1.2) 

So, a similar assembly but  double in size  will weigh eight times more. It turns out  that  the  scaling of mass for assemblies such as those in Figure 1.9 can be described by: 

  m(4 / 3)rdf  (1.3) 

where  df  or  the  fractal  dimension  is  smaller  than three (i.e.  the  normal  spatial  or  Euclidean 

dimension). These assemblies are referred to as fractals or self‐similar structures. It turns out  that  df  can  be  used  to  quantify  the  different  structures  formed  by  the  different  growth 

mechanisms  (see  values  of  df  in  Figure  1.8),  when  the  assembly  of  the  monomers  is 

irreversible.  This  theory  is  able  to  describe  for  example  the  self‐assembly  of  small  gold  nanoparticles as shown by Weitz and coworkers (Figure 1.10).26–27

   

(21)

 

Figure  1.10.  Irreversible  assembly  of  7.5  nm  gold  nanoparticles  induced  by  either  an  excess  of  pyridine,  which  displaces  all  charged  ions  from  the  surface  instantaneously  (DLCCA),  or  a  smaller  amount  of  pyridine  giving  rise  to  a  slower  assembly  process  (RLCCA).  The  cluster  size  and  df  was 

measured  using  light  scattering  and  characteristic  microscopy  images  are shown  next  to  the  curves.  Figure adapted from references 26‐27. 

Now,  assume  that  the  monomers  can  also  detach  from  the  assembly  with  a  probability pd (Figure 1.11), making the entire process reversible.

28

 For the forward reaction  we keep the two limits identical to those for the irreversible assembly; for pa = 1 the sticking 

is diffusion limited and for pa << 1 it is reaction limited. If pa/pd is small, so the probability of 

detaching  is  much  larger  than  that  of  sticking;  basically  only  monomers  will  be  present  in  solution.  Conversely,  if  this  ratio  is  large  all  monomers  will  cluster  together  in  one  single  percolating  structure.  The  probabilities  of  sticking  and  detaching  combined  with  the  diffusion  coefficient  of  the  monomers  leads  to  a  life  time  of  encounter  (te),  which  is  the 

average  time  two  particles  move  through  the  solution  together.  This  is  an  important  new  parameter to describe this reversible assembly process. 

+ pa pd

 

Figure  1.11.  Reversible  monomer  assembly.  Two  monomers  stick  to  each  other  upon  contact  with  a  probablility (pa) and detach again with a probability (pd). Taking into account the diffusion coefficient 

of the monomer particles,the probabilities give rise to series of correlated collisions with a life time te.  

Interestingly, for very dilute systems (i.e. the flocculation regime) there is no difference in the  final  stable  structures  for  different  pa,  which  means  that  there  is  no  distinction  between 

reversible  diffusion‐limited  or  reaction‐limited  assembly.  It  does,  however,  matter  for  the  time it takes to reach this final structure. The fractal dimension of the structures in this dilute  regime  is  2.0,  a  value  in  between  that  of  irreversible  DLCCA  (1.80)  and  RLCCA  (2.09).  In  more concentrated solutions the growing assemblies soon start to interact with each other. If  te  crosses  a  critical  value,  a  systemwide  percolating  network  is  formed.  This  structure  is 

constantly forming and reforming and is called a transient gel and has a df of 2.7. It is clear by 

now that similar fractal structures can be obtained by either reversible or irreversible growth  mechanisms.  The  latter  mechanism,  however,  will  lead  to  a  constantly  increasing  diffusion 

(22)

coefficient  (D)  of  the  monomers,  while  for  the  former  reversible  mechanism  D  will  reach  a  stable  value  at  some  point  in  time.  It  is  therefore  not  only  important  to  study  the  overall  structure  of  the  formed  assembly  (i.e.  a  fractal  network),  but  also  the  behavior  of  the  individual monomers (i.e. their dynamics).  

If  we  allow  many  more  than  two  interactions  on  average  per  monomer,  the  systems  can densify and eventually phase separate, which leads to structures that are much coarser  compared to the fractal structures. Fractal assemblies have been predicted as precursors for  spinodal decomposition29–30  and have been observed in protein aggregation31  (Figure 1.12b),  but solid experimental evidence and a full understanding have not been obtained yet.   a b c time time   Figure 1.12. Different stages in the assembly process of silicatein proteins. a) After 15 minutes globular  assemblies  are  formed  consisting  of  only  few  proteins.  b)  Fractal  structures  are  observed  after  30  minutes with a df of ~1.7. c) After 1 hour filaments are formed presumably by secondary short range 

attractions. Adjusted from reference 31. 

So  far  we  have  seen  that  the  assembly  of  building  blocks  depends  on  their  size  and  shape  and  on  (the  direction,  strength  and  scaling  of)  the  interactions  between  them.  Moreover, the rate of assembly and the pathway taken towards the final assembly are very  important. In  the next section  we  describe the timescale needed  to analyze the assembly of  building blocks of various sizes and which techniques are available to this end. 

1.3 Timescale of interactions versus timescale of analysis 

In the analysis of nanometer‐sized assemblies, taking an image often takes a long time  compared to the velocity of movement. The motion of a nanometer‐sized particle through a  solvent  (i.e.  diffusion)  appears  slow  on  the  macroscopic  scale,  but  when  zoomed  in  to  the  scale  of  the  moving  object  or  molecule,  the  movements  are  violent  and chaotic  (“Brownian  storm”). For example, a molecule with a diameter of 10 nm diffuses its own radius in 1 μs,  which is a speed of only 0.036 km h–1

. If an average car would move its own diameter in the  same  time  its  speed  would  be  ~1.5  x  107

  km  h–1

,  which  gives  an  indication  of  how  violent  molecular  movements  would  appear  if  looked  at  on  their  own  scale.  For  this  reason  many  visualization techniques rely on immobilization of the components in the system. When the  system  is  “frozen”  there  is  sufficient  time  for  analysis.  In  this  way,  we  can  visualize  a  molecular  assembly  with high  resolution  but  the kinetics are  lost  in  the process. Moreover, 

(23)

these  static  analysis  methods  are  often  perturbing  the  system  they  aim  to  analyze  or  are  performed  ex situ  (i.e.  the  system  is  taken  out  of  its  “natural”  environment  for  analysis,  which  likely  changes  its  behavior).  Examples  are  atomic  force  microscopy  (AFM)32–33

,  scanning  tunneling  microscopy  (STM)34

,  transmission  electron  microscopy  (TEM),  scanning  electron microscope (SEM) or X‐ray crystallography35

 (Figure 1.13). 

On the other hand, there are analysis techniques which aim to capture the kinetics of  assembly. Relaxation techniques, for example, perturb the system from its equilibrium state  and  monitor  the  rate  at  which  the  system  recovers:  temperature  jump  and  ultrasonic  relaxation, laser photolysis or stopped‐flow. Sensitive assemblies, however, can permanently  be disrupted by such perturbations, limiting the applicability of these techniques. A second  method is to label just a few molecules and follow their movements at a very short timescale  (e.g.  fluorescence  correlation  spectroscopy)  or  by  correlating  their  collective  movements  by  the  by  for  example  light  scattering36–38

.  It  is  therefore  possible  to  get  information  about  the  kinetics  without  any  perturbations.  Lastly,  bulk  measurements—averaging  the  movement  and  interactions  of  many  molecules—can  provide  indirect  information  about  the  system’s  kinetics e.g. nuclear magnetic resonance (NMR)39–40  or surface plasmon resonance (SPR)41–43 .    Figure 1.13. An overview of some analysis techniques probing either structure or dynamics (some can  do both at the same time). The graph shows the needed timescale of analysis (τ) for a particle with a  diameter (d), when considering interactions occurring between two or more molecules.  

Self‐assembling  systems  with  building  blocks  in  the  sub  10  nm  range  pose  an  additional problem. In Figure 1.13 it can be seen that in this region there is no technique that  can  provide  both  structure  and  dynamic  simultaneously.  Therefore,  it  is  crucial  to  use  a  combination of static and dynamic techniques, as will be shown in this thesis. 

(24)

1.4 Supramolecular Chemistry: non‐covalent assembly of building blocks 

Using  non‐covalent  interactions,  such  as  those  described  in  the  previous  sections,  to  obtain  ordered  structures  is  common  in  the  field  of  supramolecular  chemistry.  For  binary  systems,  the  small  building  block  is  referred  to  as  the  guest  and  the  larger  as  the  host;  together with their interactions being referred to as guest–host chemistry (Figure 1.14).   O O O O O O K H H H H Ag   Figure 1.14: Guest–host complexes of increasing size and complexity. From left to right: A silver ion  has  a  weak  interaction  with  the  double  bond  in  ethane,  a  potassium  ion  complexed  inside  a  crown  ether  and  an  alkyl  ammonium  guest  inside  the  cavity  of  a  self‐assembled  spherical  host  complex  consisting of six resorcinarenes.  

 

Figure  1.15. Some  examples  of  natural  self‐assembled  structures  and  of  synthetic  analogues  that  are  resembling  them.  a) Collagen  fibers  are  formed  from  fibrils,  which  are  in  turn  formed  from  α‐chain  triple  helices.44

  b)  The  globular  human  serum  albumin  protein.45

  c)  The  DNA  double  helix.46   d–f)  Synthetic  fibrous  structures  that  resemble  the  collagen  fibers  (by  Aida47

,  Stupp48

  and  Würthner49 ,  respectively)  g)  Three‐dimensional  structures  obtained  from  pieces  of  synthetic  DNA  that  were  programmed  to  self‐assemble  into  a  specific  structure  resembling  a  globular  protein.50

  h)  A  helical  foldamer resembling DNA by Lehn and coworkers.51

 

The start of this field can be traced back to the end of the nineteenth century, with the  discovery  of  cyclodextrin  inclusion  complexes,  the  formulation  of  the  concepts  of 

(25)

coordination  chemistry  and  Fischer’s  proposal  that  enzymes  and  their  substrates  interact  similar to  the  way  a  key  fits  in  a  lock.52–57

  The  underlying  principles  of  this  postulation  are  molecular  recognition  and  supramolecular  function.58

  From  that  point  on,  the  realization  sprung onto chemists that the combination of multiple weak non‐covalent interactions could  yield  molecular  assemblies  akin  to  biological  structures.  Early  examples  included  the  well‐ know cryptands59 , spherands60 , clathrates61–63  and crown ethers64 .  The term supramolecular chemistry was introduced by Jean‐Marie Lehn in 1969 in his  study of cryptands. Less than two decades later Lehn65 , Pedersen66  and Cram67  were awarded  the  Nobel  Prize  for  their  pioneering  work  in  the  field  of  molecular  recognition.  A  great  number of supramolecular complexes and structures have been  discovered during the past  decades  (Figure  1.15),  however,  predicting  their  structure  is  often  a  great  challenge  due  to  the sheer numbers of possible interactions and often the many polymorphs that can coexist  in  some  systems.  In  the  next  section  we  describe  how  a  stepwise  approach  can  be  used  to  guide the self‐assembly process. 

1.5 Better control over self‐assembly: stepwise self‐assembly 

The way most self‐assembled structures are made nowadays is by adding the various  building  blocks  together  in  a  solvent  to  get  the  structure  in  one  step  (One‐pot  approach  in  Figure  1.16).  This  approach  works  well  for  equilibrium  systems  where  the  building  blocks  can dissociate and recombine until the thermodynamically stable structure is obtained.  Stepwise approach (Intermediate tecton) One-pot approach (polymorphs)   Figure 1.16. Schematic representation of the proposed stepwise assembly approach. The common one‐ pot approach is to mix the building blocks together in a solvent, which often leads to many different  polymorphs. A stepwise approach to first obtain a well‐defined self‐assembled intermediate, which is  stabilized before proceeding to the next assembly step, could lead to hierarchically more complex and  better defined structures in a controlled manner.  More complicated structures like those encountered in Nature, however, are not likely  to arise spontaneously from the simultaneous addition of all components to a solvent, since  the  many  different  components  will  be  able  to  interact  in  a  multitude  of  ways,  leading  to 

(26)

polymorphs  and  not  likely  to  a  unique  structure.  In  other  words,  the  thermodynamically  determined product is not always the desired one. 

One  approach  to  get  more  control  over  the  obtained  structure  is  to  use  a  stepwise  approach to kinetically trap only one of the polymorphs (Stepwise approach in Figure 1.16).  Nature developed very elegant strategies to obtain kinetically stable structures. Chaperones  for example are used to obtain the correctly folded bioactive secondary and tertiary protein  structures  starting  from  a  random  coil  polypeptide  (Figure  1.17).  These  kind  of  assisting  structures are themselves proteins and can lower the free energy once bound to the unfolded  peptide  chain.  Chaperones  have  also  been  found  in  protein  multimerization,  where  they  assist the assembly of multiple domains into larger superstructures. This chaperone strategy  is very elegant, but requires a coordinated collaboration of many biological processes and is  therefore not easy to mimic.  TS-Chp TS N-Chp N Folding Δ G (kcal mol -1) U I I-Chp   Figure 1.17. A free energy diagram of chaperone assisted protein folding. Folding from the unfolded  (U) to the native state (N) via the intermediate (I) and transition state (TS) is not possible because the  free energy of N is higher than that of U. Using the assisted pathway (lower one, where the states have  the  “Chp”  addition),  the  unfolded  state  can  go  to  the  native  protein  structure  after  cleaving  off  the  chaperone  (dashed  arrow).  A  cartoon‐like  representation  of  the  native  state  (with  and  without  chaperone) is shown on the right.68

 

Kinetically  stable  and  metastable  structures  have  been  reported  for  supramolecular  systems based on metal‐coordination69–72

, hydrogen‐bonding73–76

, stacking77

 or guest–host78–79   interactions.  Hasenknopf  et  al.  showed  that  a  linear  aliphatic  ligand  containing  three  bipyridine  moieties  self‐assembled  mainly  into  a  triple  helix  when  mixed  with  FeCl2  in  solution. In a second heating step, however, the helix could be converted into a pentagonal  structure  in  time  (Figure  1.18a).  In  a  different  system,  researchers  from  the  Reinhoudt  laboratories  showed  that  the  structure  of  kinetically  stable  calix[4]arene  rosettes  can  be  templated  using  chiral  molecules  during  the  assembly  process  (Figure  1.18b).74,76,80–81

  In  a  second  step  the  chiral  template  could  be  removed  yielding  just  one  supramolecular  enantiomer. 

(27)

heat

Cl–

a b

 

Figure 1.18. Stepwise assembly in supramolecular systems. a) A triple helical assembly consisting of  three  trivalent  bipyridine  ligands  and  three  Fe2+

  ions  transforms  into  a  pentagonal  structure  upon  heating.70

  b)  An  enantiomerically  pure  calix[4]arene  double  rosette  assembly,  which  is  kinetically  stable enough to preserve its chirality after removal of the chiral template.76

 

The  latter  two  synthetic  examples  show  that  a  stepwise  approach  can  be  used  to  preferentially  obtain  one  of  the  different  polymorphs  compared  to  the  mixture  of  polymorphs obtained by a one‐step methodology. 

Organic solvent (o)

(neat state) (w/o/w emulsion) (solvent mix) w o w Vesicle / polymersome Evaporation (– o) – o ● Dialysis (− o) ● Evaporation (− o) ● Dilution (+ w)

● + w & Sonication / Stirring ● + w & Filtration

● + w & Electric field

emulsify w w + H2O (w)   Figure 1.19. Stepwise strategies to obtain preferentially unilamellar surfactant vesicles. The surfactant  is first dissolved in a good solvent, usually a volatile organic solvent. Next, three strategies are mainly  used: the neat surfactant is mechanically processed (upper pathway), a double emulsion is used as a  template  (middle  pathway)  or  a  miscible  mixture  of  water  and  the  good  organic  solvent  is  used  to  form vesicles (or micelles), after which the organic solvent is removed (bottom pathway). 

Such stepwise approaches are also commonly used to create surfactant vesicles, which  are  of  great  importance  for  drug‐dosage,  cosmetic  formulations  and  for  use  in  the  food  industry.82

  Formation  of  vesicles  from  surfactants  in  one  step  has  been  observed  from  mixtures of zwitterionic and anionic surfactants83

, from polyelectrolytes84

 and from lipids85–86 .  Often,  however,  multilamellar  vesicles  are  formed  with a  broad  size  distribution,  while  for 

(28)

many  applications  unilamellar  monodisperse  vesicles  are  necessary.87

  To  obtain  predominantly the unilamellar architecture three stepwise strategies, depicted in Figure 1.19,  have been developed:  

i)  A  thin  film  or  powder  of  the  surfactant  is  added  to  an  aqueous  solution  and  mechanically  treated  by  sonication88

,  stirring89

,  filtration90

  under  pressure  or  by  alternating electric fields91

 (upper pathway).  

ii) A double water‐in‐oil‐in‐water (w/o/w) emulsion is made using sonication92

 or more  recently  using  microfluidic  techniques93–94

.  The  latter  gives  rise  to  very  monodisperse  vesicles that can be loaded with very high efficiency (i.e. in the inner water phase). The  organic solvent can be removed by evaporation, to yield the surfactant double layer.  iii)  The  surfactant  is  dissolved  in  a  good  (organic)  solvent,  which  is  miscible  with  water.  Stepwise  addition  of  water  (i.e.  the  bad  solvent)  to  this  solution  induces  the  assembly of the hydrophobic part of the surfactant into vesicles and micelles.95–96

 In the  next step the organic solvent is removed using dialysis or evaporation. 

 

The  examples  in  this  section  show  the  viability  of  adopting  a  stepwise  pathway  to  obtain  preferentially  one  of  the  many  polymorphs.  In  this  thesis  we  show  that  a  stepwise  approach can also be used to obtain structures that cannot be obtained directly. The resulting  self‐assembled tectons can in turn interact with each other giving rise to intriguing assembly  behavior, which we outline in the next section. 

1.6 Aim and outline of this thesis 

The many aspects of  self‐assembly and  self‐organization  of  building  blocks described  in  this  chapter,  such  as  the  size  of  the  building  block,  the  directionality  and  strength  of  interactions between them, the rate of assembly and the pathway of steps taken towards the  final product, have to be tuned to perfection in order to arrive at the desired structure. Here  we  use  a  stepwise  approach  to  obtain  new  building  blocks  that  are  themselves  self‐ assembled  structures.  These  intermediate  tectons  consist  of  well‐defined  molecules,  held  together  by  specific  non‐covalent  interactions.  The  key  aspect  of  this  approach  is  to  kinetically  trap  the  structure  of  the  intermediate  supramolecular  tecton,  which  is  done  by  preassembly of the components in the neat phase.  

 

The  aim  of  this  research  is  to  study  the  interactions  between  nanometer  sized  building  blocks  that are themselves supramolecular self‐assembled structures. Analysis techniques not commonly used  in the field of supramolecular chemistry are explored to quantify these interactions.  

(29)

Two  kinds  of  self‐assembled  building  blocks  are  used:  one  consisting  of  a  highly  branched  globular  molecule  (a  dendrimer)  and  small  guest  molecules,  and  one  based  on  a  supramolecular polymer that self‐assembles into fibers. Chapter 2, 3 and 4 describe the steps  needed  to  obtain  the  former  building  block  capable  of  forming  assemblies  with  a  higher  hierarchy (Figure 1.20). Chapter 6 and 7, describe the latter building block. 

 

Chapter 2 deals with the interactions of monovalent and multivalent guest molecules  capable  of  interacting  specifically  with  a  dendrimer  host.  Guest–guest  interactions  play  an  important role in determining the true equilibrium binding constant. Moreover, the binding  strength can be increased by using multivalent guest molecules. 

Once a complex of the dendrimer and multiple monovalent guest molecules is made in  chloroform  it  is  transferred  to  the  neat  state  by  evaporating  the  solvent.  In  Chapter  3  it  is  shown that the guest–host complex is still intact in the neat state. When the remaining thin  film  is  redissolved  in  water  the  guest–host  complex  is  still  intact,  which  is  not  possible  by  simply  adding  the  individual  components  (i.e.  the  host  and  multiple  guest  molecules)  together  in  water  (bottom  pathway  in  Figure  1.20).  These  kinetically  stable  guest–host  complexes undergo a remarkable self‐assembly process upon dilution, which is described in  detail in Chapter 4. In Chapter 5, these dendrimer based guest–host complexes are equipped  with bioactive moieties by using a guest molecule that has an arylpiperazine moiety that can  interact both with a neural receptor as well as with the dendrimer host.  

 

In  Chapter  6,  a  stepwise  non‐covalent  approach  is  used  to  obtain  supramolecular  hydrogel materials. A hydrophilic polymer is functionalized with the quadruple hydrogen‐ bonding  ureidopyrimidinone  (UPy)  unit  and  forms  large  fibrous  assemblies  in  the  bulk.  Interestingly,  these  structures  can  be  transferred  to  aqueous  solution  and  at  high  concentration form stable hydrogels, which undergo a structural evolution in time.  

In Chapter 7, the binding strength of one such UPy moiety in the large supramolecular  assemblies  is  quantified  using  a  microfluidic  setup  and  fluorescence  correlation  spectroscopy.  By  working  with  micrometer‐sized  liquid  flows,  new  insights  into  supramolecular  guest–host  interactions  are  obtained,  which  are  responsible  for  the  macroscopic properties of the hydrogel materials. 

 

The  epilogue  provides  a  broader  perspective  of  the  different  stepwise  non‐covalent  synthetic methods described in this thesis and how these concepts can be used to obtain new  materials. 

     

(30)

 

 

Figure  1.20.  The  stepwise  non‐covalent  synthetic  approach  to  obtain  stable  guest–host  complexes  in  aqueous  solution.  First  the  hydrophobic  dendrimer  host  and  hydrophilic  guest  molecules  are  dissolved in chloroform. The resulting guest–host complex is transferred to water via the neat phase.  The guest–host  complex  cannot  be obtained  by  directly  mixing  the  host  and  guest  in water  (bottom  pathway).  Dilution of  these  guest–host complexes  in  water  leads to hierarchically  more  complicated  assemblies. The fact that dilution leads to assembly is in contradiction with most other self‐assembling  systems. 

 

 

Figure  1.21.  The  stepwise  non‐covalent  approach  taken  to  obtain  supramolecular  hydrogels.   A hydrophilic polymer is equipped with self‐assembling moieties, which form fibrous assemblies in  the  bulk  polymer  material.  These  fibers  can  be  transferred  to  aqueous  solution  and  at  high  concentrations form hydrogels that strengthen in time.  

(31)

1.7 References Whitesides, G. M. & Grzybowski, B. Science 295, 2418‐2421 (2002). Frenkel, D. Physica a‐Statistical Mechanics and Its Applications 313, 1‐31, Pii S0378‐4371(02)01032‐4 (2002). Grzybowski, B. A. Soft Matter 5, 1109‐1109, DOI 10.1039/B902046m (2009). Overbeek, T. Colloid Surface B 14, Vi‐Vii (1999). Akashi, T. et al. Appl Phys Lett 81, 1922‐1924, DOI 10.1063/1.1505115 (2002). Friedrich, H. et al. Nano Lett 9, 2719‐2724, DOI 10.1021/Nl901212m (2009). Velikov, K. P., Christova, C. G., Dullens, R. P. A. & van Blaaderen, A. Science 296, 106‐109 (2002). Bianchi, E., Largo, J., Tartaglia, P., Zaccarelli, E. & Sciortino, F. Phys Rev Lett 97, 16830, DOI  10.1103/Physrevlett.97.168301 (2006).  9  Doye, J. P. K. et al. Phys Chem Chem Phys 9, 2197‐2205, DOI 10.1039/B614955c (2007).  10  Huisman, B. A. H., Bolhuis, P. G. & Fasolino, A. Phys Rev Lett 100, 188301 DOI  10.1103/Physrevlett.100.188301 (2008).  11  Kern, N. & Frenkel, D. J Chem Phys 118, 9882‐9889, DOI 10.1063/1.1569473 (2003).  12  Zhang, Z. L. & Glotzer, S. C. Nano Lett 4, 1407‐1413, DOI 10.1021/Nl0493500 (2004).  13  Sijbesma, R. P. et al. Science 278, 1601‐1604 (1997).  14  Marsh, A., Silvestri, M. & Lehn, J. M. Chem Commun, 1527‐1528 (1996).  15  Mucic, R. C., Storhoff, J. J., Mirkin, C. A. & Letsinger, R. L. J Am Chem Soc 120, 12674‐12675 (1998).  16  Blum, A. S. et al. Nano Lett 4, 867‐870, DOI 10.1021/Nl0497474 (2004).  17  Zheng, R. H., Liu, G. J. & Yan, X. H. J Am Chem Soc 127, 15358‐15359, DOI 10.1021/Ja054937h (2005).  18  Salant, A., Amitay‐Sadovsky, E. & Banin, U. J Am Chem Soc 128, 10006‐10007, DOI 10.1021/Ja063192s (2006).  19  Manoharan, V. N., Elsesser, M. T. & Pine, D. J. Science 301, 483‐487 (2003).  20  Nie, Z. H., Li, W., Seo, M., Xu, S. Q. & Kumacheva, E. J Am Chem Soc 128, 9408‐9412, DOI 10.1021/Ja060882n  (2006).  21  Hiemenz, P. C. & Rajagopalan, R. Principles of colloid and surface chemistry. (Marcel Dekker Inc. US, 1997).  22  Grzybowski, B. A., Wilmer, C. E., Kim, J., Browne, K. P. & Bishop, K. J. M. Soft Matter 5, 1110‐1128, DOI  10.1039/B819321p (2009).  23  Grzybowski, B. A., Stone, H. A. & Whitesides, G. M. Nature 405, 1033‐1036 (2000).  24  Grzybowski, B. A. & Whitesides, G. M. Science 296, 718‐721 (2002).  25  Haw, M. D., Sievwright, M., Poon, W. C. K. & Pusey, P. N. Physica A 217, 231‐260 (1995).  26  Weitz, D. A., Huang, J. S., Lin, M. Y. & Sung, J. Phys Rev Lett 54, 1416‐1419 (1985).  27  Weitz, D. A., Lin, M. Y., Lindsay, H. M. & Huang, J. S. Phys Rev Lett 58, 1052‐1052 (1987).  28  Babu, S., Rottereau, M., Nicolai, T., Gimel, J. C. & Durand, D. Eur Phys J E 19, 203‐211, DOI  10.1140/epje/e2006‐00022‐7 (2006).  29  Klein, W. Phys Rev Lett 65, 1462‐1465 (1990).  30  Kopelman, R. Science 241, 1620‐1626 (1988).  31  Murr, M. M. & Morse, D. E. P Natl Acad Sci USA 102, 11657‐11662, DOI 10.1073/pnas.0503968102 (2005).  32  Frommer, J. Angewandte Chemie‐International Edition in English 31, 1298‐1328 (1992).  33  Giessibl, F. J. Reviews of Modern Physics 75, 949‐983 (2003).  34  Hansma, P. K. & Tersoff, J. J Appl Phys 61, R1‐R23 (1987).  35  Putnam, C. D., Hammel, M., Hura, G. L. & Tainer, J. A. Q Rev Biophys 40, 191‐285,  10.1017/s0033583507004635 (2007).  36  Berry, G. C. in Polymer Analysis and Characterization Vol. 114 Advances in Polymer Science  233‐290 (1994).  37  Cao, A. Anal Lett 36, 3185‐3225, 10.1081/al‐120026567 (2003).  38  Plum, M. A., Steffen, W., Fytas, G., Knoll, W. & Menges, B. Opt Express 17, 10364‐10371 (2009).  39  Pastor, A. & Martinez‐Viviente, E. Coordination Chemistry Reviews 252, 2314‐2345, DOI  10.1016/j.ccr.2008.01.025 (2008).  40  Wuthrich, K. Acta Crystallogr D 51, 249‐270 (1995).  41  Abdulhalim, I., Zourob, M. & Lakhtakia, A. Electromagnetics 28, DOI 10.1080/02726340801921650 (2008).  42  Green, R. J. et al. Biomaterials 21, 1823‐1835 (2000).  43  Homola, J., Yee, S. S. & Gauglitz, G. Sensor Actuat B‐Chem 54, 3‐15 (1999).  44  Campbell, N. A. Biology. (St Laurent, 1995).  45  Lejon, S., Cramer, J. F. & Nordberg, P. Acta Crystallogr F 64, 64‐69, DOI 10.1107/S174430910706770x (2008).  46  US‐National‐library‐of‐medicine. DNA structure.  47  Hill, J. P. et al. Science 304, 1481‐1483 (2004). 

(32)

48  Hartgerink, J. D., Beniash, E. & Stupp, S. I. Science 294, 1684‐1688 (2001).  49  Wurthner, F., Yao, S. & Beginn, U. Angew Chem Int Edit 42, 3247‐3250, DOI 10.1002/anie.200351414 (2003).  50  He, Y. et al. Nature 452, 198‐U141, DOI 10.1038/Nature06597 (2008).  51  Schmitt, J. L., Stadler, A. M., Kyritsakas, N. & Lehn, J. M. Helv Chim Acta 86, 1598‐1624 (2003).  52  Ehrlich, P. Studies on Immunity. (Wiley, 1906).  53  Fisher, E. Ber. Dtsch. Chem. Ges. 27, 2985 (1894).  54  Koshland, D. E. P Natl Acad Sci USA 44, 98‐104 (1958).  55  Steed, J. W. & Atwood, J. L. Supramolecular Chemistry. (Wiley, 2000).  56  Villiers, A. C. R. Hebd. Seances Acad. Sci. 112, 536 (1891).  57  Werner, A. Zeitschrift Fur Anorganische Und Allgemeine Chemie 3, 267 (1893).  58  Desiraju, G. R. Nature 412, 397‐400 (2001).  59  Lehn, J. M. Struct. Bonding (Berlin) 16, 1 (1973).  60  Cram, D. J., Kaneda, T., Lein, G. M. & Helgeson, R. C. J Chem Soc Chem Comm, 948‐950 (1979).  61  Muller, A., Reuter, H. & Dillinger, S. Angewandte Chemie‐International Edition in English 34, 2328‐2361 (1995).  62  Pope, M. T. & Muller, A. Angewandte Chemie‐International Edition in English 30, 34‐48 (1991).  63  Macnicol, D. D., McKendrick, J. J. & Wilson, D. R. Chem Soc Rev 7, 65‐87 (1978).  64  Patai, S. & Rappoport, Z. Crown ethers and analogues. (Wiley, 1989).  65  Dietrich, B., Lehn, J. M. & Sauvage, J. P. Tetrahedron Lett, 2889‐2892 (1969).  66  Pedersen, C. J. J Am Chem Soc 89, 7017‐7036 (1967).  67  Cram, D. J. & Cram, J. M. Science 183, 803‐809 (1974).  68  Cabrita, L. D. & Bottomley, S. P. Eur Biophys J Biophy 33, 83‐88, DOI 10.1007/s00249‐003‐0356‐1 (2004).  69  Cardenas, D. J. & Sauvage, J. P. Inorg Chem 36, 2777‐2783 (1997).  70  Hasenknopf, B., Lehn, J. M., Boumediene, N., Leize, E. & Van Dorsselaer, A. Angew Chem Int Edit 37, 3265‐ 3268 (1998).  71  Ibukuro, F., Kusukawa, T. & Fujita, M. J Am Chem Soc 120, 8561‐8562 (1998).  72  Hori, A., Yamashita, K. & Fujita, M. Angew Chem Int Edit 43, 5016‐5019, DOI 10.1002/anie.200460671 (2004).  73  Davis, J. T. et al. Org Lett 6, 4265‐4268, DOI 10.1021/Ol0483089 (2004).  74  Ishi‐i, T. et al. Angew Chem Int Edit 42, 2300‐2305, DOI 10.1002/anie.200350956 (2003).  75  Mathias, J. P., Simanek, E. E., Seto, C. T. & Whitesides, G. M. Angewandte Chemie‐International Edition in  English 32, 1766‐1769 (1993).  76  Prins, L. J., De Jong, F., Timmerman, P. & Reinhoudt, D. N. Nature 408, 181‐184 (2000).  77  Lohr, A., Lysetska, M. & Wurthner, F. Angew Chem Int Edit 44, 5071‐5074, DOI 10.1002/aine.200500640 (2005).  78  Masson, E., Lu, X. Y., Ling, X. X. & Patchell, D. L. Org Lett 11, 3798‐3801, DOI 10.1021/Ol901237p (2009).  79  George, S. J. et al. Angew Chem Int Edit 46, 8206‐8211, DOI 10.1002/anie.200702730 (2007).  80  Paraschiv, V. et al. Adv Mater 14, 722‐726 (2002).  81  Reinhoudt, D. N. & Crego‐Calama, M. Science 295, 2403‐2407 (2002).  82  Segota, S. & Tezak, D. Adv Colloid Interfac 121, 51‐75, DOI 10.1016/j.cis.2006.01.002 (2006).  83  Limin, Z., Ganzuo, L. & Zhiwei, S. Colloid Surface A 190, 275‐283 (2001).  84  Cha, J. N. et al. J Am Chem Soc 125, 8285‐8289, DOI 10.1021/Ja0279601 (2003).  85  Afri, M. et al. Chem Phys Lipids 131, 107‐121, DOI 10.1016/j.chemphyslip.2004.04.007 (2004).  86  Weisman, S., Hirsch‐Lerner, D., Barenholz, Y. & Talmon, Y. Biophys J 87, 609‐614, DOI  10.1529/biophysj.103.033480 (2004).  87  Fendler, J. H. Chem Rev 87, 877‐899 (1987).  88  Edwards, K., Almgren, M., Bellare, J. & Brown, W. Langmuir 5, 473‐478 (1989).  89  Ahmed, F. & Discher, D. E. J Control Release 96, 37‐53, DOI 10.1016/j.jconrel.2003.12.021 (2004).  90  Peschka, R., Purmann, T. & Schubert, R. Int J Pharm 162, 177‐183 (1998).  91  Discher, B. M. et al. Science 284, 1143‐1146 (1999).  92  Tobio, M., Gref, R., Sanchez, A., Langer, R. & Alonso, M. J. Pharmaceutical Research 15, 270‐275 (1998).  93  Shum, H. C., Lee, D., Yoon, I., Kodger, T. & Weitz, D. A. Langmuir 24, 7651‐7653, DOI 10.1021/La801833a  (2008).  94  Shum, H. C., Kim, J. W. & Weitz, D. A. J Am Chem Soc 130, 9543‐9549, DOI 10.1021/Ja802157y (2008).  95  Shen, H. W. & Eisenberg, A. J Phys Chem B 103, 9473‐9487 (1999).  96  Discher, D. E. & Eisenberg, A. Science 297, 967‐973 (2002).   

(33)

Referenties

GERELATEERDE DOCUMENTEN

Uit onderzoek van Praktijkonderzoek Plant &amp; Omgeving (PPO) blijkt dat het vergisten van deze gewasresten niet alleen de uitspoeling van nutriënten vermindert, maar dat de

This study aims to assess the validity of the Fitbit One compared with the ActiGraph GT3x + for assessing physical activity (i.e., steps, time spent in moderate, vigorous,

Toch kan het voorkomen dat een geschikte referentie niet beschikbaar is, vanwege specifieke, locatie-eigen omstandigheden of vanwege een nieuwe categorie die niet voorkomt in

De wiskundige zal moeten kunnen meedenken met de technoloog, de chemicus zal abstract moeten leren formuleren, de natuurkundige zal meer oog moeten krijgen voor de technische

and observability are not dual properties.. Also a recursive algo- rithm, including some results concerning the partial realization problem, is presented. We will

Hazelaar (Corylus sp.) komt ook veelvuldig voor, waarschijnlijk als struik aan de rand van bos. Tevens zijn er, evenals in de monsters uit de andere sporen,

lead to a re-assessment of the timing and means of male circumcision. It has been noted that the absence of clear differences in HIV prevalence rates between South Afri- can

Spoor 6 is de bodem van een greppel die parallel liep aan de Breugelweg, tussen spoor 4 en 7 en door deze sporen onderbroken worden; 4 en 7 zijn dus recenter dan 6. De