Units of 2-ureido-4-pyrimidone that dimerize strongly in a self-complementary array of four cooperative hydrogen bonds were used as the associating end group in reversible self-assembling polymer systems. The unidirectional design of the binding sites prevents uncontrolled multidirectional association or gelation. Linear polymers and reversible networks were formed from monomers with two and three binding sites, respectively. The thermal and environmental control over lifetime and bond strength makes many properties, such as viscosity, chain length, and composition, tunable in a way not accessible to traditional polymers. Hence, polymer networks with thermodynamically controlled architectures can be formed, for use in, for example, coatings and hot melts, where a reversible, strongly temperature-dependent rheology is highly advantageous.

Dendrimers are highly branched macromolecules of low polydispersity that provide many exciting opportunities for design of novel drug-carriers, gene delivery systems and imaging agents. They hold promise in tissue targeting applications, controlled drug release and moreover, their interesting nanoscopic architecture might allow easier passage across biological barriers by transcytosis. However, from the vast array of structures currently emerging from synthetic chemistry it is essential to design molecules that have real potential for in vivo biological use. Here, polyamidoamine (PAMAM, Starburst), poly(propyleneimine) with either diaminobutane or diaminoethane as core, and poly(ethylene oxide) (PEO) grafted carbosilane (CSi-PEO) dendrimers were used to study systematically the effect of dendrimer generation and surface functionality on biological properties in vitro. Generally, dendrimers bearing -NH(2) termini displayed concentration- and in the case of PAMAM dendrimers generation-dependent haemolysis, and changes in red cell morphology were observed after 1 h even at low concentrations (10 microg/ml). At concentrations below 1 mg/ml CSi-PEO dendrimers and those dendrimers with carboxylate (COONa) terminal groups were neither haemolytic nor cytotoxic towards a panel of cell lines in vitro. In general, cationic dendrimers were cytotoxic (72 h incubation), displaying IC(50) values=50-300 microg/ml dependent on dendrimer-type, cell-type and generation. Preliminary studies with polyether dendrimers prepared by the convergent route showed that dendrimers with carboxylate and malonate surfaces were not haemolytic at 1 h, but after 24 h, unlike anionic PAMAM dendrimers they were lytic. Cationic 125I-labelled PAMAM dendrimers (gen 3 and 4) administered intravenously (i.v.) to Wistar rats ( approximately 10 microg/ml) were cleared rapidly from the circulation (<2% recovered dose in blood at 1 h). Anionic PAMAM dendrimers (gen 2.5, 3.5 and 5.5) showed longer circulation times ( approximately 20-40% recovered dose in blood at 1 h) with generation-dependent clearance rates; lower generations circulated longer. For both anionic and cationic species blood levels at 1 h correlated with the extent of liver capture observed (30-90% recovered dose at 1 h). 125I-Labelled PAMAM dendrimers injected intraperitoneally were transferred to the bloodstream within an hour and their subsequent biodistribution mirrored that seen following i.v. injection. Inherent toxicity would suggest it unlikely that higher generation cationic dendrimers will be suitable for parenteral administration, especially if they are to be used at a high dose. In addition it is clear that dendrimer structure must also be carefully tailored to avoid rapid hepatic uptake if targeting elsewhere (e.g. tumour targeting) is a primary objective.

Dendrimers are well-defined, highly branched macromolecules that emanate from a central core and are synthesized through a stepwise, repetitive reaction sequence. The synthesis and characterization of dendritic boxes, based on the construction of a chiral shell of protected amino acids onto poly(propyleneimine) dendrimers with 64 amine end groups, is reported here. Nuclear magnetic resonance-relaxation and optical data show that a dense shell with solid-phase character is formed. Guest molecules were captured within the internal cavities of the boxes when these boxes were constructed in the presence of guest molecules. The diffusion of guest molecules out of the boxes into solution was unmeasurably slow because of the close packing of the shell. These monomolecular dendritic containers of 5-nanometer dimensions with physically locked-in guest molecules were characterized spectroscopically.

Hierarchical self-assembly offers a powerful strategy for producing molecular nanostructures. Although widely used, the mechanistic details of self-assembly processes are poorly understood. We spectroscopically monitored a nucleation process in the self-assembly of p-conjugated molecules into helical supramolecular fibrillar structures. The data support a nucleation-growth pathway that gives rise to a remarkably high degree of cooperativity. Furthermore, we characterize a helical transition in the nucleating species before growth. The self-assembly process depends strongly on solvent structure, suggesting that an organized shell of solvent molecules plays an explicit role in rigidifying the aggregates and guiding them toward further assembly into bundles and/or gels.

Illumination of thin liquid-crystal polymer films that contain azobenzene derivatives with short thermal relaxation times induces a continuous wave motion throughout the films, owing to a feedback loop driven by material self-shadowing. Liquid-crystal networks are cross-linked polymers made from macromolecules that self-organize into liquid-crystal phases. They can be programmed to respond to stimuli such as heat, electric fields and light, converting these stimuli into mechanical work or macroscopic deformation. Here Dirk Broer and colleagues develop azobenzenes with rapid cis-to-trans thermal relaxation times and incorporate them into liquid-crystal networks to generate photoactive polymer films. The films deform upon irradiation, and this deformation results in part of the film being shaded from further irradiation. The rapid relaxation then sets up a feedback loop, yielding continuous oscillating wave motion throughout the film. The authors take advantage of this oscillatory motion to demonstrate rudimentary self-propelled locomotion and a self-cleaning surface. Oscillating materials1,2,3,4 that adapt their shapes in response to external stimuli are of interest for emerging applications in medicine and robotics. For example, liquid-crystal networks can be programmed to undergo stimulus-induced deformations in various geometries, including in response to light5,6. Azobenzene molecules are often incorporated into liquid-crystal polymer films to make them photoresponsive7,8,9,10,11; however, in most cases only the bending responses of these films have been studied, and relaxation after photo-isomerization is rather slow. Modifying the core or adding substituents to the azobenzene moiety can lead to marked changes in photophysical and photochemical properties12,13,14,15, providing an opportunity to circumvent the use of a complex set-up that involves multiple light sources, lenses or mirrors. Here, by incorporating azobenzene derivatives with fast cis-to-trans thermal relaxation into liquid-crystal networks, we generate photoactive polymer films that exhibit continuous, directional, macroscopic mechanical waves under constant light illumination, with a feedback loop that is driven by self-shadowing. We explain the mechanism of wave generation using a theoretical model and numerical simulations, which show good qualitative agreement with our experiments. We also demonstrate the potential application of our photoactive films in light-driven locomotion and self-cleaning surfaces, and anticipate further applications in fields such as photomechanical energy harvesting and miniaturized transport.

6-Methyl-2-butylureidopyrimidone dimerizes via four hydrogen bonds in the solid state as well as in CHCl3 solution via a donor−donor−acceptor−acceptor (DDAA) array of hydrogen bonding sites in the 4[1H]-pyrimidinone tautomer. An intramolecular hydrogen bond from the pyrimidine NH group to the urea oxygen atom preorganizes the molecules for dimerization. The dimerization constant of the dimer in CHCl3 exceeds 106 M-1. In CHCl3 containing DMSO, the dimer is in equilibrium with the monomeric 6[1H]-pyrimidinone tautomer. In 6-phenyl-2-butylureidopyrimidone, the 4[1H]-pyrimidinone tautomer coexists with the pyrimidin-4-ol form, which dimerizes with similar high dimerization constants via four hydrogen bonds in a DADA array. The latter tautomer predominates in derivatives with electronegative 6-substituents, like 6-nitrophenyl- and 6-trifluoromethyl-2-butylureidopyrimidone. Due to its simple preparation and high dimerization constant, the ureidopyrimidone functionality is a useful building block for supramolecular chemistry.

Most polymers consist of long molecular chains made up of many units connected by covalent bonds — but supramolecular polymers are different. The strikingly dynamic properties of these materials arise from the reversible bonds that hold their chains together, and open up the prospect of many new applications.

In kilogram quantities ; pure poly(propylene imine) dendrimers can be prepared in an extremely simple reaction sequence comprising Michael addition (primary amines to acrylonitrile) and heterogeneous hydrogenation with a Raney cobalt catalyst. Both steps proceed quantitatively and selectively and can be employed with many core and end groups.