Scalable Synthesis of Single-Chain Nanoparticles under Mild Conditions

Abstract

We present a scalable route to single-chain nanoparticles (SCNP) under mild conditions using intramolecular atom transfer radical coupling (ATRC). Typical methods to SCNP, a class of soft nanomaterials in the sub-10 nm size regime, rely on complicated synthetic techniques, high temperatures unsuitable to fragile functional groups, or ultradilute conditions (solutions less than 1 wt %), all of which greatly complicate scale-up. Our method uses a minimal number of synthetic steps and mild reaction conditions amenable to a wide array of solvents and tolerant to a variety of functional groups. Using this scalable method, gram quantities of nanoparticles in the 5−10 nm size regime are accessible.

Macromolecular Superstructures: A Future Beyond Single Chain Nanoparticles

“…The Berda team combined the continuous addition strategy with the atom transfer radical coupling (ATRC) of pendent alkyl or benzyl bromide moieties on methacrylate‐based polymers. The use of ATRC allowed for even milder reaction conditions at 80 °C and yielded SCNP concentrations of up to 10 mg mL −1 on the gram scale …”

“…The use of ATRC allowed for even milder reaction conditions at 80°C and yielded SCNP concentrations of up to 10 mg mL À 1 on the gram scale. [22] While the previous examples investigate chain internal crosslinking of pendant reactive groups, various synthetic strategies of SCNP synthesis employ external crosslinkers. The reaction of these usually bivalent linkers is inherently different to the chain internal crosslinking, as it proceeds through two stages: (i) The intermolecular reaction between linker and precursor polymer and (ii) the intrachain reaction between the monovalently bound crosslinker and a complementary binding site in the polymer.…”

Controlling Chain Coupling and Single‐Chain Ligation by Two Colours of Visible Light

“…[2,3] Inspired by the folding of polypeptides into proteins,t he field of intramolecularly crosslinked synthetic polymers forming single-chain nanoparticles (SCNPs) emerged around ad ecade ago. [4][5][6][7] While the intramolecular crosslinking of synthetic polymers allows the entire toolbox of synthetic chemistry to be utilized to mimic secondary and tertiary structures, [8][9][10][11][12] many proteins found in nature consist of several peptide strands associated to acontrolled quaternary structure,which enables their function. However,S CNPs combining the intramolecular folding points with acontrolled interchain association to mimic the quaternary structures of proteins were hitherto not realized.…”

Kontrolle über Kettenvernetzung und Einzelkettenverknüpfung durch zwei Farben des sichtbaren Lichts

“…Während Materialeigenschaften von Polymeren im Festkçrper das Fundament ihrer alltäglichen Anwendungen liefern, weisen Makromoleküle ein bisher weitestgehend unangerührtes Potential auf.D er Großteil der Funktionen, die in der Natur gefunden werden kçnnen -v on der kleinsten makromolekularen Maschine über die makroskopische Bewegung von Gliedmaßen bis zur Katalyse und ihrer unübertroffenen Reaktionskontrolle -r esultieren nicht aus den Materialeigenschaften von Polymeren im Festkçrper,s ondern aus kontrollierten 3D Architekturen, bestehend aus einer definierten Anzahl präzise orientierter Polymerketten. [4][5][6][7] Während die intramolekulare Vernetzung synthetischer Polymere sich aller Werkzeuge der synthetischen Chemie bedienen kann, um Sekundär-und Te rtiärstrukturen nachzuahmen, [8][9][10][11][12] bestehen Proteine in der Natur aus mehreren Peptidsträngen, die sich zu einer Quartärstruktur zusammenlagern, die ihre Funktionsweise bestimmt. [4][5][6][7] Während die intramolekulare Vernetzung synthetischer Polymere sich aller Werkzeuge der synthetischen Chemie bedienen kann, um Sekundär-und Te rtiärstrukturen nachzuahmen, [8][9][10][11][12] bestehen Proteine in der Natur aus mehreren Peptidsträngen, die sich zu einer Quartärstruktur zusammenlagern, die ihre Funktionsweise bestimmt.…”

“…[2,3] Inspiriert durch die Faltung von Polypeptiden zu Proteinen, ist vor etwas mehr als zehn Jahren das Forschungsgebiet des intra-molekularen Vernetzens synthetischer Polymere zu Einzelketten-Nanopartikeln (single chain nanoparticles,S CNPs) entstanden. [4][5][6][7] Während die intramolekulare Vernetzung synthetischer Polymere sich aller Werkzeuge der synthetischen Chemie bedienen kann, um Sekundär-und Te rtiärstrukturen nachzuahmen, [8][9][10][11][12] bestehen Proteine in der Natur aus mehreren Peptidsträngen, die sich zu einer Quartärstruktur zusammenlagern, die ihre Funktionsweise bestimmt. Im Gegensatz dazu ist es bislang nicht mçglich gewesen, SCNPs über eine Kombination aus intramolekularer Faltung und kontrollierter intermolekularer Kettenverknüpfung zu bilden, welche Quartärstrukturen von Proteinen nachahmt.…”