Towards the Rational Design of Molecularly Imprinted Polymers

Abstract

Molecular imprinting is a technique by which polymeric materials selective for a given target molecule can be created through a casting procedure. Functionalised monomers are added to a solution of molecular templates. Monomer-template complexes are formed and subsequently fixed through polymerisation, and following removal of the template species from the resultant molecularly imprinted polymer, MIP, a material containing binding sites able to specifically rebind the template is left. The objective of the present work has been to learn more about the mechanisms leading to the formation of selective binding sites in MIPs and the nature of these sites (1-3), with the goal to utilise this knowledge to develop better MIPs (4-7).



1) UV spectroscopic studies of the pre-polymerisation mixture were utilised to estimate the stabilities of monomer-template complexes under different conditions. It was observed that many templates are not fully complexed by monomers, possibly leading to different binding site populations. Such heterogeneity is indeed observed in MIPs. The method developed was found useful for rapid evaluation of different monomers or conditions for a given template. 2) Chromatographic studies were performed on polymers imprinted with various pyridyl templates. It was demonstrated that electrostatic interactions were those mainly responsible for binding in these systems. It was also demonstrated that free rotors in the template structure affected binding and selectivity negatively, and that the accessibilities of functional groups were essential for the utility of the template for molecular imprinting. 3) Load capacity studies of nicotine and 4,4´-bipyridyl MIPs revealed two different behaviours. The retention of 4,4´-bipyridyl decreased upon raising the sample load, but nicotine exhibited an increase. Two possible explanations to this unexpected effect were suggested: mobile phase related nicotine solvation effects or a type of cooperative binding. A maximum in resolution for the separation of (+/-)-nicotine at different sample loads indicated the presence of recognition sites for template-template complexes, implying the possible imprinting of template-template complexes.



4) A chiral tartaric acid based monomer was synthesised and employed for the imprinting of cinchona alkaloids. The chirality of the monomer was shown able to enhance selectivity for certain templates. Post-polymerisation debenzylation of the MIP enhanced both retention and selectivity due to a change from hydrogen bond interactions to ionic interactions. 5) Crown ethers were employed as co-templates in molecular imprinting to demonstrate a principle by which organic solvent non-solubles can be solubilised, and imprinted, in organic media. Rebinding studies in the absence of crown ether revealed imprinting related selectivity. 6) Imprinting in water was achieved through the introduction of a hydrophilic cross-linker, a highly acidic monomer, and a beta-cyclodextrin based monomer, able to interact by hydrophobic interactions with aromatic ring structures. By this approach, the enantiomers of phenylalanine were successfully imprinted. 7) A series of monomer combinations were evaluated to optimise the polymer system described in (6). Binding site hydrophobicities were examined by fluorescence spectroscopy. This thesis demonstrates that there is significant room for improving the performance of MIPs and points to some ways by which this can be achieved.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Gipsgjutning är ganska enkelt. Blanda gipset med vatten och rör runt lite. Häll därefter blandningen i en form om du vill ha en gipshund eller så, eller i en tallrik om du vill trycka av en kroppsdel. Om du vill ha en handavgjutning så tryck dit handen en stund och låt gipset stelna. Sedan är det klart. Bara den hand du gjutit av kommer att passa; var det högerhanden så kommer vänsterhanden passa illa. Dina kamraters händer kommer inte heller att passa lika bra som din avtryckshand. Det lyckas förstås inte alltid fullt ut. Om gipsblandningen är för tunn så kanske avgjutningen flyter ut. Om någon kittlar dig under tiden, om du hostar eller är darrhänt så blir förmodligen handavgjutningen dålig. Tvingades du göra samma avtryck tusentals gånger så är det troligt att en del skulle bli perfekta och andra hyggliga, vissa andra ganska dåliga och några urusla. Den här avhandlingen handlar ungefär om detta, men i en mycket mindre skala. Vi har gjort avgjutningar av molekyler. Processen är då lite svårare att kontrollera eftersom molekyler är så små. Nikotin är en sådan molekyl vi gjutit av. Det får plats lika många nikotinmolekyler på ytan av min hand som det antal enkronor som skulle krävas för att täcka hela Sveriges yta. Eftersom molekyler är sådär små och avgjutningarna likaså, så vi kan inte se dem. I stället har vi fått använda oss av andra tekniker med vars hjälp vi indirekt kunnat lista ut hur avtrycken ser ut.



Giftiga kemikalier och olika mikroorganismer som flyttar in i oss gör oss sjuka så vi använder läkemedel för att lindra och bota. Både gifter och läkemedel är viktiga att mäta i oss för att läkaren ska kunna behandla klokt. Trots att det finns många metoder tillgängliga för att göra detta så har vi svårt att skilja på molekyler som liknar varandra mycket. Med avgjutningstekniken kan vi enkelt skräddarsy plaster som klarar jobbet. En stor fördel med plasterna är att de håller mycket längre än många av de mätmaterial som finns idag. De är också mycket billiga att framställa. Mätning av kemikaliehalter är också viktigt inom många tillverkningsprocesser och dessutom måste man då ofta kunna avskilja en viss kemikalie från andra. Här kan våra plaster visa sig användbara för att avskilja biprodukter och för att styra reaktioner så att färre biprodukter bildas.



Molekylavgjutningar tillverkas genom att man först blandar avgjutningsmolekyler med plastbyggstenar. Några av dessa har förmågan att fästa till avgjutningsmolekylen och andra finns med för att härda plasten. Ett lösningsmedel måste finnas med för att plasten ska bli lagom porös och för att hjälpa byggstenarna att fästa till avgjutningsmolekylerna. Sist tillsätter man en instabil kemikalie som sätter igång plastbildningen om man värmer lösningen eller lyser med ultraviolett ljus på den. En hård plastkaka bildas då på några timmar, och den maler man ner till små partiklar. Plasten tvättas därefter så att avtgjutningsmolekylerna släpper och avgjutningarna blir lediga. Den här avhandlingen handlar om hur avgjutningarna bildas, hur väl olika molekyler passar i dem och hur man kan göra dem bättre, för precis som de tusen handavtrycken i gips så blir inte alla molekylavgjutningar likadana.



Vi är ganska säkra på att avgjutningarna bildas genom att olika delar av avgjutningsmolekylerna fäster till olika plastbyggstenar som fixeras när plasten bildas, precis som gipset när det stelnar. De krafter som håller ihop dessa komplex är av samma typ som de krafter som håller ihop vattenmolekyler så att de stannar kvar i glaset. Det fungerar inte så bra att ta med vatten i reaktionsblandningen eftersom vattnet gärna fäster till avgjutningsmolekylerna. Då blir det inte lika fin passform på avgjutningarna, ungefär som om om du hade en Lovikavante på när du tryckte ned näven i gipset. I stället används fettlösande vätskor som inte på samma sätt tävlar om plats intill avgjutningsmolekylerna. I våra arbeten försökte vi få en uppfattning om hur hårt plastbyggstenarna fäster till olika avgjutningsmolekyler innan plastbildningen satts igång. Vi studerade också hur hårt olika ämnen fäster till olika avgjutningsplaster. Våra resultat tyder på att många avgjutningsmolekyler i reaktionslösningen inte har plastbyggstenar fästa till sig i alla fästpunkter, precis som om du inte fick ned alla fingrarna i gipset vid alla de tusen handavgjutningarna. Därför skiljer sig avgjutningarna mellan olika molekyler av samma sort. Vi kunde också se att "darrhänta" molekyler och de med "fingrarna gömda" gav sämre avgjutningar. Vi såg också tecken på att en del avgjutningsmolekyler sitter ihop när plasten bildas, som om du höll ihop dina händer när du gjorde gipsavtrycken. I så fall passar en del av avgjutningarna två eller fler molekyler i stället för en. Det sistnämnda vet vi inte säkert. Med hjälp av dessa kunskaper så vet vi mer om hur man skulle kunna tillverka bättre avgjutningar. Det försökte vi också göra.



Vi prövade några olika sätt för att komma till rätta med en del av problemen. Ett exempel på detta är en plast som tillverkades med en nyskapad, kiral byggsten. Att den är kiral betyder att det finns en spegelbild till molekylen, d v s om molekylen är högerhänt så finns det en vänsterhand också. En sådan byggsten kan fästa samtidigt till flera "fingrar", och då fäster de bättre till avgjutningsmolekylen när plasten ska bildas, men i den färdiga plasten går det ungefär lika fort att få loss avgjutningsmolekylen ändå. Vår byggsten var inte så stabil, så det lossnade delar av den när plasten väl var färdig, men plasten fungerade ändå. Många ämnen är kirala, så många avgjutningsmolekyler passar bättre med höger- än vänsterhandsbyggstenar, och det kan också användas för att göra avtrycken bättre. Det kunde vi se i dessa experiment.



Ett annat problem som vi ibland stöter på är att det inte går att lösa upp ämnet som ska gjutas av i den vätska där plastbildningen ska ske. Då brukar inte avgjutningen fungera. För att komma runt det här problemet så använde vi oss av en kroneter, en sorts molekyl-fingerborg med vars hjälp vi kunde gömma vissa olösliga grupper. På så sätt kunde vi lösa avgjutningsmolekylerna och göra avgjutningar av dem, och när den färdiga plasten tvättats ren kunde vi visa att den kände igen avgjutningsmolekylerna. Att det inte blev riktigt lika bra avgjutningar som det brukar bli när andra typer av molekyler (t ex nikotin) gjuts av beror troligen på att kronetrarna utgör en del av avtrycken, precis som fingerborgar vid handavgjutning.



Ett tredje problem vi försökt rätta till är att avgjutningarna inte gått att göra så bra i vatten. Det löste vi genom att vända på systemet: De flesta molekyler vi arbetat med har fettlösliga och vattenlösliga delar, och tidigare avgjutningsbyggstenar har fäst till de "vattenlösliga" fästpunkterna. Vi använde i stället fettlösliga fästpunkter till fettlösande byggstenar. Då gick det bra att göra avgjutningar i vatten.



Det krävs mer jobb än så här för att göra plasterna riktigt användbara, men vi är på väg dit med raska kliv. Den här avhandlingen visar vägen.

• author: Andersson, Håkan S
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Dr Venn, Richard F, Pfizer Central Research, Department of Drug Metabolism, Sandwich, Kent, UK
• organization: Pure and Applied Biochemistry
• publishing date: 1999
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Biochemistry and Molecular Biology
• keywords: Thermodynamics, Molecular Recognition, Polyvalency, Cooperativity, Electrostatic Interactions, Hydrophobic Effect, Chromatography, Frontal Analysis, HPLC, Spectroscopy, Molecularly Imprinted Polymer, Molecular Imprinting, Crown Ether, Template Polymerisation, Cyclodextrin, Biochemistry, Metabolism, Biokemi, Biotechnology, Bioteknik
• pages: 218 pages
• defense location: Hörsalen, Falken, University of Kalmar
• defense date: 1999-06-11 10:15:00
• external identifiers: other:LUTKDH/TKBK-1048/1-218/1999
• ISBN: 91-7874-011-8
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 7eb83492-4d1b-4ba3-b966-332aefdc5203 (old id 39753)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:00:19
• date last changed: 2018-11-21 20:56:09