Sintesi di poli-amminoacidi via Ring-Opening Polymerization di N-carbossi anidridi

In biological systems, proteins are macromolecules that possess the ability to self-assemble into complex and highly ordered structures. These remarkable materials are polypeptides that develop their peculiar characteristics from a precise control of the sequence of the monomers that compose them, the amino acids. Recently these molecules have aroused considerable interest, therefore several synthetic pathways have been developed for the laboratory preparation of these natural polymers, for the most varied applications. Hetero- and homopolymers prepared from N-carboxy anhydrides (NCA) of amino acids are widely used in various biotechnology areas. They are biocompatible and biodegradable materials, so they are well suited for the development of systems that mimic the biological properties exhibited in vivo by many proteins and that interact with them. Both in the pharmaceutical field, where new systems are required to deliver therapeutic molecules, and in regenerative medicine, where structures to support cell growth are needed, and in the development of environmental biosensors sensitive to the presence of contaminants. In all these areas, the common factor is the need for functional and interactive materials and synthetic polymers derived from amino acids have proved to be a resource as it is possible to modulate their function according to the choice of amino acid monomers. Further studies have brought new knowledge in the chemistry of polymerization and the development of new methods for the synthesis of polyaminoacid derivatives, leading to high performance functional products. Specifically, ring-opening polymerization has become in recent years a pioneering technique for achieving a wide range of biocompatible materials, significantly reducing the time and costs of synthetic processes. For this and other reasons, chemical synthesis of polyamino acids has become routine in many laboratories, which has the advantage, compared to other synthesis methods such as microbial synthesis and solid phase synthesis, to allow the rationalization of supramolecular structures including micelles, vesicles, nanorods, fibers, hydrogels and scaffolds. In particular, the search for new initiators for the polymerization of NCA monomers derived from natural amino acids, allowed to significantly optimize the process of synthesis of chains defined in structure and dispersity, as well as their functionalization. The aim of this thesis is to obtain homopolymers and co-polymers of L-amino acids through the synthesis of NCA heterocyclic monomers. Although many works of this type report the execution of reactions in glovebox and completely anhydrous conditions, or at high temperatures, we have investigated the possibility of obtaining monomer synthesis at milder conditions, as reported by some authors whose aim is to practice monomer synthesis on a large scale. Finally, controlled polymerization of monomers was attempted using a new initiator developed in 2016, to obtain monodisperse and molecular weight controlled polymers. The possible development of this thesis work could be the functionalization of polymers at the C-terminal end with thiolic groups reactive against nucleic acids, or the development of systems with biosensor capabilities.

Nei sistemi biologici le proteine sono macromolecole che posseggono la capacità di autoassemblarsi in strutture complesse e altamente ordinate. Questi notevoli materiali sono polipeptidi che sviluppano le proprie caratteristiche peculiari da un controllo preciso della sequenza dei monomeri che li compongono, gli amminoacidi. Recentemente queste molecole hanno suscitato notevole interesse, dunque si sono sviluppate diverse vie sintetiche per la preparazione in laboratorio di questi polimeri naturali, per le più svariate applicazioni. Etero- ed omopolimeri preparati a partire da N-carbossi anidridi (NCA) degli amminoacidi costituiscono prodotti molto impiegati in diversi campi delle biotecnologie. Sono materiali biocompatibili e biodegradabili, dunque si prestano bene per lo sviluppo di sistemi che mimano le facoltà biologiche esibite in vivo da molte proteine e che vi interagiscono. Sia in ambito farmaceutico, dove sono richiesti nuovi sistemi di veicolazione di molecole terapeutiche, che nella medicina rigenerativa, dove si ricercano strutture per il sostegno della crescita cellulare, che nello sviluppo di biosensori ambientali sensibili alla presenza di contaminanti. In tutti questi settori, il fattore comune è il bisogno di materiali funzionali e interattivi con l’ambiente circostante ed i polimeri di sintesi derivati da amminoacidi si sono rivelati una risorsa in quanto è possibile modularne la funzione in base alla scelta dei monomeri amminoacidici. Studi più approfonditi hanno apportato nuove conoscenze nella chimica delle polimerizzazioni e allo sviluppo di nuovi metodi di sintesi di derivati dei poliamminoacidi, fino ad ottenere prodotti funzionali altamente performanti. Nello specifico, la ring-opening polymerization è diventata negli ultimi anni una tecnica d’avanguardia per l’ottenimento di una vasta gamma di materiali biocompatibili, abbassando notevolmente i tempi e i costi dei processi sintetici. Per questo ed altri motivi è diventato routine in molto laboratori la sintesi chimica di poliamminoacidi, che ha il vantaggio, rispetto ad altri metodi di sintesi come la sintesi microbica e la sintesi su fase solida, di permettere la razionalizzazione di strutture sovramolecolari tra cui micelle, vescicole, nanotubi, fibre, idrogels e scaffolds. In particolare, la ricerca di nuovi iniziatori da impiegare per la polimerizzazione dei monomeri NCA derivati dagli amminoacidi naturali, ha consentito di ottimizzare notevolmente il processo di sintesi di catene definite nella struttura e nella dispersità, nonché della loro funzionalizzazione. Lo scopo di questa tesi è di ottenere degli omopolimeri e co-polimeri di L-amminoacidi, passando attraverso la sintesi dei monomeri eterociclici NCA. Nonostante molti lavori di questo tipo riportino l’esecuzione di reazioni in glovebox e condizioni completamente anidre, o ad alte temperature, abbiamo indagato la possibilità di ottenere la sintesi del monomero in condizioni più blande, come riportato da alcuni autori la cui finalità è di praticare la sintesi del monomero su larga scala. Infine si è tentata la polimerizzazione controllata dei monomeri impiegando un nuovo iniziatore sviluppato nel 2016, per l’ottenimento di polimeri monodispersi e controllati nel peso molecolare. Il possibile sviluppo del presente lavoro di tesi potrà essere la funzionalizzazione dei polimeri all’estremità C-terminale con dei gruppi tiolici reattivi nei confronti degli acidi nucleici, oppure di sviluppare dei sistemi dalle capacità di biosensori.