Contents
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
1.1 Evolution from Basic Building Blocks to Higher Complexity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
1.2 The Role of Molecular Architecture in Producing New Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
2 Traditional Polymer Chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
2.1 Comparison of Traditional Polymer Science with Dendritic Macromolecular
Science . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 330
3 The Dendritic State . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
3.1 History . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
3.2 A Fourth Major New Architectural Polymer Class . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
3.3 Dendritic Polymer Subclasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
4 Dendrimer Features of Interest to Nanoscience . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
4.1 Dendrimer Shape Change: A Nanoscale Molecular Morphogenesis . . . . . . . . . . . . . . . . 344
4.2 de Gennes Dense Packing: A Nanoscale Steric Phenomenon Not Observed in
Traditional Polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
5 Unique Quantized Dendrimer Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
5.1 Critical Nanoscale Design Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
5.2 Amplification and Functionalization of Dendrimer Surface Groups . . . . . . . . . . . . . . . . 349
5.3 Nanoscale Dimensions and Shapes Mimic Those of Proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
6 Dendrimers: Window to a New Nano-periodic System for Defining and Unifying
Nanoscience . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
6.1 Elemental Picoscale Periodicity Derived from CADPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
6.2 Chemists and Physicists Are Developing a Mutual Consensus on Nanoscale Atom
Mimicry and Superatoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
6.3 Atom Mimicry: Nanoscale Superatoms and Atom Equivalents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
6.4 Combining Soft and Hard Nano-element Categories to Create Combinatorial
Libraries of Nanocompounds and Nano-assemblies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
6.5 Nano-periodic Physico-Chemical Property Patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
6.6 First Steps Towards a “Central Dogma” for Synthetic Nanochemistry: DendrimerBased Nanochemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
Abbreviations
BC
Branch cell
CADP
Critical atomic design parameters
CHDP
Critical hierarchical design parameters
CMDP
Critical molecular design parameters
CMicDP
Critical micron design parameters
CNDP
Critical nanoscale design parmeters
FTIR
Fourier transform infrared
G
Generation
HNE
Hard nano-element
LCB
Long chain branching
MALDI-TOF Matrix-assisted laser desorption ionization–time of flight
M n
Number-average molecular weight
M w
Weight-average molecular weight
N b
Branch cell multiplicity
322
D.A. Tomalia
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
1.1 Evolution from Basic Building Blocks to Higher Complexity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
1.2 The Role of Molecular Architecture in Producing New Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
2 Traditional Polymer Chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
2.1 Comparison of Traditional Polymer Science with Dendritic Macromolecular
Science . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 330
3 The Dendritic State . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
3.1 History . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
3.2 A Fourth Major New Architectural Polymer Class . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
3.3 Dendritic Polymer Subclasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
4 Dendrimer Features of Interest to Nanoscience . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
4.1 Dendrimer Shape Change: A Nanoscale Molecular Morphogenesis . . . . . . . . . . . . . . . . 344
4.2 de Gennes Dense Packing: A Nanoscale Steric Phenomenon Not Observed in
Traditional Polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
5 Unique Quantized Dendrimer Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
5.1 Critical Nanoscale Design Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
5.2 Amplification and Functionalization of Dendrimer Surface Groups . . . . . . . . . . . . . . . . 349
5.3 Nanoscale Dimensions and Shapes Mimic Those of Proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
6 Dendrimers: Window to a New Nano-periodic System for Defining and Unifying
Nanoscience . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
6.1 Elemental Picoscale Periodicity Derived from CADPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
6.2 Chemists and Physicists Are Developing a Mutual Consensus on Nanoscale Atom
Mimicry and Superatoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
6.3 Atom Mimicry: Nanoscale Superatoms and Atom Equivalents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
6.4 Combining Soft and Hard Nano-element Categories to Create Combinatorial
Libraries of Nanocompounds and Nano-assemblies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
6.5 Nano-periodic Physico-Chemical Property Patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
6.6 First Steps Towards a “Central Dogma” for Synthetic Nanochemistry: DendrimerBased Nanochemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
Abbreviations
BC
Branch cell
CADP
Critical atomic design parameters
CHDP
Critical hierarchical design parameters
CMDP
Critical molecular design parameters
CMicDP
Critical micron design parameters
CNDP
Critical nanoscale design parmeters
FTIR
Fourier transform infrared
G
Generation
HNE
Hard nano-element
LCB
Long chain branching
MALDI-TOF Matrix-assisted laser desorption ionization–time of flight
M n
Number-average molecular weight
M w
Weight-average molecular weight
N b
Branch cell multiplicity
322
D.A. Tomalia