Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Частицы без коробки: Щетка-первая Синтез фотодеградируемое ПЭГ Star полимеров в условиях окружающей среды

Published: October 10, 2013 doi: 10.3791/50874
Automatic Translation
1, 1, 1
1Department of Chemistry, Massachusetts Institute of Technology

Summary

Поли (этиленгликоль) (ПЭГ) щетка звездчатые полимеры (BASPs) с узким распределением массы и перестраиваемых наноскопических размеров синтезируются в раскрытием кольца через обменной полимеризации (Ромп) от PEG-норборнен макромономера с последующим передачи порции полученного жизни щетка инициатором флаконах, содержащих различные количества жесткой, фото-расщепляется бис-норборненового сшивателя.

Abstract

Удобные способы быстрого, параллельной синтеза разнообразно функционализованных наночастиц позволит открытие новых композиций для доставки лекарств, биологических изображений, и при поддержке катализа. В этом докладе, мы демонстрируем параллельный синтез щетка звездчатые полимера (BASP) наночастиц методом "щетка-первой". В этом методе, норборнен концевыми поли (этиленгликоль) (ПЭГ) Макромономер (PEG-MM) сначала полимеризуют через раскрытием кольца обменной полимеризации (Ромп) для генерации живой щетки макроинициатора. Аликвоты этого раствора инициатора добавляют в ампулах, содержащих различные количества фотодеградируемое бис-норборнен сшивающего агента. Воздействие сшивателя инициирует серию кинетически контролируемой щетка + кисти и Звезда + Звезда реакций сочетания, что, в конечном счете дает BASPs с ядрами, состоящими из сшивателя и корон, состоящей из ПЭГ. Окончательный размер BASP зависит от количества добавленного сшивающего агента. Мы осуществляем синТезис о трех BASPs по крышке без особых мер предосторожности, чтобы удалить воздух и влагу. Образцы характеризуются гель-проникающей хроматографии (ГПХ); результаты договорились тесно сотрудничать с нашем предыдущем докладе, который использовал инертные (перчаточным ящиком) условия. Обсуждаются Основные практические особенности, преимущества и потенциальные недостатки метода щетки-в первую очередь.

Introduction

Полимерные наночастицы были широко изучены на предмет их потенциального использования в качестве платформы для доставки лекарств, поддерживаемого катализа, биологических изображений и самосборки 1-3. Современные приложения требуют, чтобы наночастиц синтез быть поверхностным, воспроизводимым, совместим с химическими функциональными, и поддаются диверсификации 4,5. Обменной полимеризации с раскрытием кольца (МПРЦ) напряженных олефинов является мощным методика синтеза функциональных полимерных наноструктур с контролируемых размеров и узким распределением масс 1,6-8. Например, норборнен с функциональными поли (этиленгликоль) (ПЭГ) макромономеры (MMS) может быть эффективно полимеризуют через ROMP, чтобы генерировать водорастворимые полимеры, бутылка щетка. Используя этот подход, наноструктуры, которые несут несколько высвобождаемые молекулы наркотиков, флуорофоры и спин-контрастных средств могут быть быстро и параллельно 6, 9, 10 подготовлены.

ПЗУP также используется для "АРМ-первая" синтеза звездообразных полимеров. В методе руки-первых, линейные полимеры сшиты многофункционального сшивателя дать сферические наноструктуры с полимерными оружия. Шрок и сотрудники сообщил первый ARM-первый колесят синтез звездчатых полимеров с помощью сшивания норборнена, dicarbomethoxynorbornadiene и защищены триметилсилильных dicarboxynorbornene линейных полимеров с бифункциональной норборненового сшивающего агента. 11, 12 Buchmeiser расширила эту методологию для синтеза материалов с спектр применения, которые включают поддерживаемый катализ, ткани-инжиниринг и хроматографии 13-17. Отани и его коллеги сделали звезды полимерные наночастицы с функциональных поверхностей с помощью связанных стратегии "In-Out" полимеризации 18, 19.

Большинство рука-первый полимеризации включают сложное взаимодействие мономеров, полимеров, и звезда реакциях сочетания. Чте последние протекает по механизму, шаг роста, который, как правило, приводит к широкой молекулярной массой (MW) распределений. Чтобы преодолеть это ограничение в смежных с переносом атома реакций радикальной полимеризации руки-первых, Matyjaszewski и сотрудники выполняется руку первая сшивание предварительно сформированных полимерных MMs обеспечить звездчатые полимеры с распределениями 20 очень узких МВт. В этом случае, стерическая масса MMS, а также увеличение отношение звездных оружия к посвящению сайтов, ингибирует плохо контролируемые процессы Звезда + Звезда муфты, и привело к гостиной, механизма роста цепи.

Когда мы пытались ту же стратегию в контексте ROMP с норборнена с концевыми ПЭГ-мм и бис-норборнен сшивающего агента, были получены звездообразные полимеры с очень широких распределений, мультимодальных МВт. Этот результат позволяет предположить, что в этой системе один ММ не был достаточно большим, чтобы ингибировать Звезда + Звезда муфты. Для увеличения стерическое часть звездных руках, и, возможно, ограничить эту uncontroвыработанного связь, мы попытались сначала полимеризации MM для формирования бутылки кисти полимеры в отсутствие сшивателя, а затем добавить сшиватель. Мы были рады найти, что при определенных условиях, этот метод "щетка-первая" при условии прямой доступ к "кисти звездчатые полимеры" (BASPs) с узким распределением МВт и перестраиваемой ядра и короны функций.

Недавно мы сообщали кисти первая колесят синтез ПЭГ BASPs использованием Граббса 3-го поколения катализатор А (рис. 1) 21. В этой работе, воздействие ПЭГ-ММ В к катализатора А вызвала живой кисти макроинициатора с определенной длины магистральной (B1, рисунок 1). Передача аликвоты B 1 к флаконах, содержащих различное количество сшивающего С инициировал BASPформирование. МВт, и, следовательно, размер, из BASPs геометрически возрастает с количеством добавленного. Мы предоставили механистический гипотезу для этого геометрической процессе роста и показали, что функциональные, нитроксильные основные-и коронные меченных BASPs может быть легко получены без необходимости пост-полимеризации шагов модификации или последовательных дополнений мономеров. Тем не менее, во всех, представленные в примерах, мы были обеспокоены дезактивации катализатора; мы провели все реакции в атмосфере N2 внутри перчаточного ящика.

С момента нашего первоначального доклада, мы обнаружили, что метод щетка-первая является очень эффективным для формирования BASPs от широкого круга норборненовых концевыми ММ и функциональных сшивающих агентов. Мы также обнаружили, что способ может быть осуществлен по крышке без специальных мер предосторожности для удаления воздуха или влаги.

При этом серия из трех BASPs из различных MWs будет SYnthesized методом щетки-первых условиях окружающей среды. Вкратце, 10 эквивалентов B будет подвергаться 1,0 эквивалентов катализатора А (рис. 1а) в течение 15 мин с получением BI со средней степенью полимеризации (СП) 10. Три аликвоты этой партии BI будут переданы в отдельных ампулах, содержащих 10, 15, 20 и эквиваленты (N, рис 1b) C. Через 4 часа полимеризацию будет гасили через добавлением этилового простого винилового эфира. Затем звездообразный полимер MWs и распределения MW будет характеризоваться с использованием гель-проникающей хроматографии, снабженного детектором рассе ни лазерного света с множеством углов (GPC-MALLS).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Сначала описывают синтез и очистку ПЭГ-ММ B от 3 ​​кДа O-(2-аминоэтил) полиэтиленгликоль (PEG-NH 2) и норборнен-N-гидроксисукцинимидил (NHS) сложного эфира. Первое соединение может быть приобретен у фирмы Sigma Aldrich Инк, или получены путем анионной полимеризации в соответствии с процедурами 22,23 литературы. Последнее соединение может быть получено в два этапа в соответствии с опубликованной процедурой 21. Далее мы опишем синтез катализатора А из коммерчески доступного Граббса 2 катализатора поколения й. Затем мы продемонстрировать использование этого комплекса для щетки-первая BASP синтеза. Этот эксперимент детализирует порядок принятия BASPs с N = 10, 15, и 20 из BI с DP = 10. Все реакции проводили в вытяжном шкафу с использованием стандартных сцинтилляционные флаконы.

ВНИМАНИЕ: Всегда надевайте перчатки, лабораторный халат и лабораторииочки, и следовать общей практики лаборатории безопасности при работе с опасными химическими веществами. Любой органический растворитель должны быть обработаны в вытяжном шкафу. Твердые материалы могут быть взвешены на весах вне вытяжного шкафа. Химикаты не должны вступать в контакт с кожей, глазами или рта. Настоятельно рекомендуется прочитать паспорт безопасности для каждого растворителя и твердое вещество используют в этой процедуре перед началом.

1. Получение ПЭГ-ММ B

  1. Добавить ПЭГ-NH 2 (300 мг, 0,0001 моль, 1,0 экв) в 40 мл сцинтилляционный флакон, снабженный мешалкой.
  2. Растворите PEG-NH 2 в 3 мл безводного N, N-диметилформамид (ДМФ).
  3. Добавить 36 мг норборнен-NHS эфира (0,000105 моль, 1,05 экв) 21.
  4. Закройте флакон крышкой и перемешивают реакционную смесь в течение ночи при комнатной температуре.
  5. Извлеките мешалкой и добавляют диэтиловый эфир К реакционному раствору для осаждения PEG-MM B.
  6. Фильтр белую гриппFFY осадок и промыть широко диэтиловым эфиром. В качестве альтернативы, передача суспензии в 50 м центрифужную пробирку, центрифуге при 4000 оборотах в минуту в течение 5 мин при комнатной температуре, а затем декантируют супернатант. Добавить свежий диэтиловый эфир, центрифуги и переливать снова. Мы рекомендуем повторять эту процедуру 3 раза в общей сложности 5 раз.
  7. Сушат осадка под вакуумом в течение 24 ч, чтобы удалить остаточный диэтилового эфира.

2. Очистка ПЭГ-MM

В нашем предыдущем докладе, ПЭГ-MM B был получен из коммерчески доступного ПЭГ-NH 2 и был использован для синтеза BASP без дополнительной очистки после сушки (т.е. после стадии 1.7). В этом исследовании, мы изменяем ПЭГ-NH 2-источник (коммерческую против самодельный), и мы сравнить результаты формирования BASP до и после очистки более строгий препаративная жидкостная высокая производительность хроматографии (препаративной ВЭЖХ) ММ. В оставшейся части данного исследования, д. рIED ММ, полученный после стадии 1.7, упоминается как B1. ОРГ-ВЭЖХ используется для очистки B1 дать B2. Аналогичный препаративной ВЭЖХ очищенный MM синтезированы в нашей лаборатории с помощью анионной полимеризации, упоминается как B3. Препаративной ВЭЖХ проводили с использованием высокоэффективной жидкостной хроматографии Beckmann Coulter (модуль 127p растворитель и модуль детектора 166P) с 1-мл цикла выборки и обращенной фазой колонки Agilent Zorbax 300SB-C18 PrepHT при комнатной температуре.

  1. Настройка высокоэффективной жидкостной хроматографии с растворителя А: деионизированной воды (Millipore очистки системы, 18,2 Ω) с 1%-ной уксусной кислоты; растворитель В: ацетонитрил.
  2. Премьер насосы и колонку в равновесие с 95% А и 5% B.
  3. Растворить ПЭГ-мм ацетонитрил или МеОН (150 мг / мл).
  4. Фильтруют через шприцевой фильтр Nylon 13 мм 0,45 мкм.
  5. Установите метод ВЭЖХ:
    - Скорость потока: 20 мл / мин
    - 0-1 мин: линейный градиент до 10% В и 90% А
    - 1-10 мин: Lineaг градиент до 90% В и 10% А
    - 10-13 мин: переключиться на начальных условиях (5% В и 95%) и повторно уравновесить колонка
    - Установите УФ-детектор для обнаружения поглощения при 256 нм
  6. Нагрузка 0,8 мл образца на петлю образца.
  7. Введите образец.
  8. Сбор основной пик поглощения (при условиях, указанных, продукт элюирует между 5-7 мин).
  9. При необходимости повторите. Объединить чистых фракций вместе в круглодонную колбу.
  10. Удалить все растворитель на роторном испарителе.
  11. Повторного растворения продукта в дихлорметане и добавляют сульфат натрия. Аккуратно встряхните или периодически перемешивать колбу для ≅ 1 час.
  12. Смесь фильтруют, используя фильтр из спеченного стекла.
  13. Концентрат на роторном испарителе. Сухой под вакуумом в течение ночи.
  14. ПЭГ-ММ может быть охарактеризована 1 Н-ЯМР в CD 2 Cl 2 (15-20 mg/0.7 мл CD 2 Cl 2, 500 МГц или выше рекомендуется с более чем 128 сканирований и задержки релаксации, d1= 2,0 сек) и MALDI-TOF с использованием режима положительной ионизации и 2 - (4-гидроксифенилазо) бензойную кислоту в качестве MALDI матрицы.
  15. PEG-MM может храниться в течение месяца в сцинтилляционный флакон при 4 ° С.

3. Получение катализатора A

  1. Добавить Граббса 2-го поколения катализатор (500 мг, 0,589 ммоль), в 20 мл пробирку, снабженную мешалкой.
  2. Добавить пиридин (приблизительно 0,474 мл, 5,89 ммоль, 10 экв) в ампулу. Цветовое решение следует немедленно изменить с красного на зеленый. Оставляют реакционную движение, пока все красного цвета не исчезнет, ​​и раствор стал вязким (15-30 мин).
  3. Заполните реакционном сосуде с холодным пентаном, чтобы осадить комплекс А.
  4. Суспензию фильтруют, чтобы собрать осадок зеленый (катализатор А). Wash 4x с 15 мл холодного пентана.
  5. Высушите зеленого твердого вещества под вакуумом в течение ночи.
  6. Комплекс может бытьхраниться в течение нескольких месяцев при комнатной температуре в настольной эксикаторе без значительной потери активности. Для дополнительной меры предосторожности, мы обычно хранят комплекс в -20 ° C морозильник внутри перчаточного ящика. Для удобства предварительно взвесить известные количества в 4 мл сцинтилл ционные пробирки немедленно после высыхания (этап 3.5). Мы тогда хранить пробирки в перчаточный ящик морозильника. Когда все будет готово, чтобы запустить реакцию колесят, мы просто взять один флакон из перчаточного бокса и использовать, как описано ниже (шаг 4.4).

4. Подготовка исходного раствора Живой Brush Polymer (BI) с DP = 10

  1. В 3 мл флакон с газонепроницаемой резьбовой крышкой, снабженной мешалкой, взвесить 65 мг (0,020 ммоль, 10 экв) от ММ B. Это количество соответствует 20 мг мм для каждой из 3 различных размеров BASPs, и 5 мг остаток для ГПХ анализа BI. С помощью шпателя добавить ММ непосредственно к нижней части флакона. Тру материала, чтобы предотвратить прилипание к стенкам флакона как Этот сценарий может привести к загрязнению ММ в конечном продукте BASP.
  2. Растворите ММ B в 158 мкл ТГФ. Сразу Закройте флакон крышкой после добавления ТГФ, чтобы избежать испарения растворителя. Примечание: Конечная концентрация ММ в процессе полимеризации должна быть 0,05 М. Если 158 мкл ТГФ здесь, затем 243 мкл раствора катализатора, шаг 4,4, будут добавлены, чтобы дать 401 мкл общего ТГФ, что соответствует ММ [ ] = 0,05 М. Количество растворителя на этой стадии может изменяться, пока количество растворителя на этапе 4,4 также варьироваться, чтобы дать [мм] 0,05. Мы обнаружили, что полимеризацию проводят с [мм] <0,05 иногда не перейти к полной конверсии.
  3. Пусть раствор перемешивают, пока все ММ не растворится. Нагрейте слегка, если это необходимо. Избегайте разбрызгивания вязкого раствора на сторонах или крышку флакона.
  4. Далее, добавляют известное количество (2,8мг в этом примере) в катализаторе А в 3 мл флаконе (или получить флакон с предварительно взвешенного катализатора А). Добавить безводном ТГФ (466 мкл в этом примере) с получением раствора катализатора 6 мг / мл. Сразу Закройте флакон крышкой. Разрешить катализатор до полного растворения;. Осторожно встряхните флакон при необходимости Этот раствор катализатора следует использовать сразу для ROMP. Примечание 1: Раствор катализатора должен быть темно-зеленый цвет. Если это черный или зеленовато-коричневый, то это, скорее всего, разлагается, и это, вероятно, не дают удовлетворительных результатов колесят. Если разложение происходит, мы предлагаем подготовку свежего катализатора (в соответствии с разделом 3 выше), или с помощью свежеперегнанный ТГФ. Примечание 2: количество ТГФ добавляют к выбирают так, чтобы гарантировать, что окончательный [MM] составляет ~ 0,05. Эта сумма может быть скорректирована, если компенсационные вносятся корректировки к решению мм с шагом по 4.2.
  5. Добавить 243 мкл (1,46 мг; 1 экв к B BI примеси в конечном BASP.
  6. Немедленно Закройте флакон крышкой и пусть реакционной смеси перемешивают в течение 15 мин, чтобы сформировать щетки макроинициатора (BI).

5. Формирование BASPs

  1. Добавить 3,6 ± 0,1 мг (6,18 мкмоль, 10 экв на сумму BI, подлежащих передаче в шаге 5.2), 5,5 ± 0,1 мг (9.28μmol, 15 экв на сумму BI, подлежащих передаче в шаге 5.2), и 7,3 ± 0,1 мг (12.4μmol, 20 экв на сумму BI быть переданы на шаге 5.2) сшивающего агента С в трех отдельных 3 мл ампулы, оснащенных размешивать баров. Попытка вес сшивающего агента непосредственно на дне флакона для предотвращения прилипания материала к стенкам флакона. Примечание: C Crosslinker не очень растворимы в ТГФ. По этой причине, твердое вещество использовали непосредственно на этом шаге. В случаях, когда сшивающий агент растворим, а затем концентрированный раствор сшивающего агента могут быть сделаны и различные количества этого раствора могут быть переданы на флаконах. Опять же, концентрация конечных полимеризации должна быть> 0,05 М; если растворитель добавляют к сшивающего агента затем компенсаторное снижение растворителя должно быть сделано в другом месте.
  2. Добавить 123 мкл (0,618 мкмоль) раствора BI к каждой из трех флаконах, содержащих C. Попытка держать кончик иглы чуть выше твердого сшивающего агента при добавлении в пробирку. Добавить решение BI все сразу, а не по каплям.
  3. Закройте пробирки и перемешать реакции при комнатной температуре дозавершение. С этой конкретной комбинации ММ и сшивающего агента, реакция завершена в ~ 4 ч; продолжали перемешивать в течение до 24 часов не имеет заметного влияния на рост BASP. Монитор ГПХ обеспечить полное превращение BI.
  4. Quench реакции, добавив одну каплю этилового винилового эфира к оставшейся BI решения и каждый из N = 10, 15 и 20 BASP реакционных смесей. Перемешивают в течение 10 мин, чтобы обеспечить полное гашение.

6. ГПХ Подготовка образцов

Результаты GPC-центры были получены на Agilent 1260 LC системе, оснащенной колонке Shodex ГПХ KD-806m, детектором Уайатт Рассвет Heleos-II центры, и детектор коэффициента преломления Уайатт Optilab T-REX при комнатной температуре. DMF с 0,025 М LiBr при скорости потока 1,0 мл / мин, использовали в качестве элюента. Результаты были проанализированы с использованием Астра 6 программное обеспечение, предоставленное Wyatt.

  1. Используя новую стеклянную пипетку для каждого реакционную пробирку, Окуните пипетки в реакционный раствор составить небольшой образец реакции. Промыть вниз внутри пипетки 250 мкл 0,025 М LiBr в ДМФ с получением конечной концентрации примерно 3 мг / мл.
  2. Фильтр разведенного образца через политетрафторэтилена 0,45 мкм фильтр перед нанесением образца в пробирку ГПХ.
  3. Настройка GPC-центры работает и анализировать результаты, как только проходит будут завершены.

Список сокращений:

: Граббса 3-го поколения бис-пиридин катализатора

B: поли (этиленгликоль) (ПЭГ) Макромономер (MM)

B1: PEG MM получены с использованием коммерчески доступного (Aldrich) ПЭГ-NH 2 и использовали без очистки ВЭЖХ.

B2: PEG MM получены с использованием коммерчески доступного (Aldrich) ПЭГ-NH

В3: ПЭГ ММ получают, используя вновь синтезированный ПЭГ-NH 2 и используется после очистки ВЭЖХ.

BASP: щетка звездчатые полимер

BI: гостиная щетка инициатором

С: фоторазложению сшиватель

D: молярная индекс массы дисперсности

ДМФ: N, N-диметилформамиде

DP: число средняя степень полимеризации

GPC: гель-проникающей хроматографии

Prep-ВЭЖХ: препаративной высокоэффективной жидкостной хроматографии

ЦЕНТРЫ: мульти-угол рассеяния лазерного света

ММ: макромономер

Молекулярный вес;

М ж: вес в среднем моЛар масса

N: число эквивалентов сшивающего агента (отношение С к А)

NHS: N-гидроксисукцинимидильную

ПЭГ: полиэтиленгликоль

PEG-MM: норборнен-PEG макромономер (также именуемого как соединение B)

ROMP: метатезиса с раскрытием цикла полимеризации

ТГФ: тетрагидрофуран

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Рисунок 2 показывает GPC следы для различных BASPs, приготовленных из B1, B2, и B3. Во всех случаях, данные показывают, что увеличение эквивалентов сшивающего агента (N) приводит к увеличению размера BASP. Как было отмечено в предыдущем отчете, 10 эквивалентов сшивающего агента не является достаточным для достижения равномерного BASPs; N = 10 пример показывает явно мультимодального GPC след с большим количеством остаточной щетки полимера особенно в случае неочищенной мм B1 ( рис. 2а). Большие количества сшивающего привести к распределений однородных МВт с очень небольшим количеством остаточного щеткой и ММ. Средневзвешенный молекулярная масса (М ж) примерно в два раза при переходе от N = 15 - 20. В случае B3, не имеет остаточной мм и менее 1% остаточной BI остается для N = 15 и N = 20 случаев.

Рисунок 1
Рисунок 1. Принципиальная для кисти звездчатые Polymer (BASP) Синтез. Panel (а) иллюстрирует синтез Граббса 3-м поколением биспиридина катализатора (A) из коммерчески доступных Граббса 2 катализатора й поколения. Также показаны структуры ПЭГ-ММ (B) и сшивающего агента (С), используемого в этой работе. Панель (б) показана схема процесса щетки-первой. Полимеризация ПЭГ-MM (B) с катализатором (А) генерирует 10 единиц живой щетки инициатора (BI), который затем добавляется к сшивающего агента (С), что приводит к образованию BASP. ig1highres.jpg "целевых =" _blank "> Нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенное изображение.

Рисунок 2
Рисунок 2. Результаты представитель GPC о N = 10, 15 и 20 BASPs, полученной из различных ПЭГ MMS. Панели (а), (б) и (в) изображают данные для MMS B1, B2, B3 и, соответственно. Примеси от коммерческой PEG-NH 2, непрореагировавшего М.М., и остаточной BI помечены звездочками. М ш и дисперсности индекс (D) значения приведены в вставка таблиц. Следует отметить, что значения Г, полученный методом ГПХ для сильно разветвленных наноструктур, должна быть тщательно 24,25. Наблюдение мономодальным, единые пиков указывает на узкое распределение радиусов частиц.tp_upload/50874/50874fig2highres.jpg "целевых =" _blank "> Нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенное изображение.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Ключевым преимуществом щетки-первая BASP синтеза является уникальная способность быстро синтезировать наноструктуры разной величины и состава параллельно без необходимости специализированного оборудования. В этом исследовании мы демонстрируем синтетический метод кисти-прежде всего, использовать норборен функционализованный ПЭГ макромономера (В, рис 1) и бис-норборнен нитробензиловый эфира сшиватель (С, рис 1). Цепи из ПЭГ B придавать растворимость в воде до конечной структуры BASP. Нитробензил основе сшиватель является фоторазложению.

Это общая процедура может быть изменена для других MMs и сшивателей основе экзо-норборненовых. Мы подготовили BASPs от нескольких комбинации. Например, мы использовали норборненового ПЭГ-основе MMs, которые несут различные препараты против рака, нитроксиды и магнитно-резонансная томография контрастных агентов 27. Мы также использовали MMs, состоящие из отличных ПЭГ полимеров. По нашему опыту, метод щетка-первая может быть применен к почти любой функционал экзо-норборнен имид прекращается ММ. В случаях, когда высокие конверсии ММ к BI (> 95%), не достигнуты, примесь ММ является наиболее вероятным виновником (в отличие от каталитической активности). Более строгое очистки, как описано в этом отчете (подготовительной ВЭЖХ), как правило, приводит к успешному ROMP. Обратите внимание, что мы не пытались колесят полимеризации с ММ, которые имеют незащищенные функциональные группы, которые, как известно, мешают катализатора А (например свободные амины, олефины, азидов, и т.д.). Эти группы могут быть введены после щетки-первой модификации синтеза через после полимеризации 27. Например, мы подготовили азидные-BASPs от алкилгалогенидного ММ, которые были преобразованы в азидов после формирования BASP. Эти азидов были использованы для Cu-катализируемой азида-алкин циклоприсоединения "клик &# 34; реакции.

Мы стремились изучить воздействие ММ чистоты более подробно. Небольшие количества остаточного ММ и BI всегда наблюдалось в ГПХ следы кисти, когда первый реакции проводили с использованием ММ получают из коммерчески доступного PEG-NH 2 (В1, фиг.2а). Мы узнали из опыта, что полностью чистые ММ как правило, дают количественное превращение ММ. Кроме того, мы заметили, что количество остаточного ММ варьироваться в зависимости от номера партии коммерческой ПЭГ-NH 2. Мы подозревали, что нефункциональные ПЭГ-NH 2 примеси, возможно, просто ПЭГ диол, был ответственным за кажущейся остаточной ММ примеси. Таким образом, мы использовали препаративной ВЭЖХ, чтобы очистить B1 с получением чистого мм B2 фиг.2В показывает, что этот процесс очистки действительно уменьшить количество остаточного мм (оранжевый звезда) примерно в два раза;. Он не Ремове его полностью. Интересно, В2 дал высокую конверсию BI в BASPs а, может быть, примеси, которые привели к дезактивации катализатора удаляли с помощью препаративной ВЭЖХ. Тем не менее недовольны количеством остаточной ММ, мы последовали методическая литература для синтеза ПЭГ-NH 2 через анионной полимеризации окиси этилена из этаноламином (ВНИМАНИЕ: окись этилена, должны решаться в подготовленных, опытных химиков; это очень легковоспламеняющиеся, взрывчатые , и ядовитый газ!). 22,23 мм получали из этой самодельной ПЭГ-NH 2 (B3) дает более высокие результаты по сравнению с коммерческими MMS. Анализ методом ГПХ соответствующих BASPs не показало заметных остатков мм и очень мало (<1%) остаточного BI (рис. 2в). Таким образом, если требуется BASPs высокой чистоты мы рекомендуем использовать наиболее чистые ММ. Следует отметить, что остаточное ММ и BI легко могут быть удалены изкрупные BASPs через диализа после щетки-первая синтеза.

Мы также использовали другие, чем С сшивателей. Например, мы подготовили BASPs из bisnorbornene комплексов металлов, инициаторов полимеризации, кислых расщепляемого линкеров и супрамолекулярных хозяев. Мы считаем, что сшивающие с жесткими прокладками между норборненов как правило, обеспечивают наиболее равномерное BASPs; такие сшивающие реже подвергаются внутримолекулярной реакции циклизации, которые потребляют норборнены но не способствуют росту BASP.

Независимо от комбинации ММ и сшивателя, мы находим следующие общие практики приведет к высшей шанс щетки-первый успех. Во-первых, прежде чем пытаться кисти первый синтез с вновь синтезированных мономеров, мы рекомендуем делая DP = 10 кисти одного только полимера и, возможно, более длинные полимеры щетка с DP = 25 и 50. Если эти испытания пройдут успешно, есть отличный шанс, что кисть-первыйметод также будет успешным. Во-вторых, идеальный концентрация для щетки-первой полимеризации зависит от мономера химического состава и структуры компонентов. Мы рекомендуем испытывать несколько концентрации на небольших масштабах, прежде чем принимать большую партию BASP. В-третьих, полимеризации осуществляется в дихлорметан или тетрагидрофуран, кажется, дают наилучшие результаты; мономеры, которые растворимы в этих растворителях являются идеальным выбором. Как обсуждалось выше, если сшивающий агент плохо растворим в этих растворителей, мы рекомендуем добавлять его в виде твердого вещества вместо добавления дополнительного растворителя. Пока ММ растворим, мы находим, что сшивание приносит сшиватель полностью в раствор в течение нескольких минут. В-четвертых, при том, что полимеризация не требует инертных условиях, мы рекомендуем хранение катализатора в инертной атмосфере, чтобы увеличить срок службы аккумулятора. Важно отметить, что катализатор будет разлагаться в течение долгого времени в растворе; раствор катализатора должны быть готовы только что из Grubbs третьего поколения окtalyst каждый раз, когда последовательность реакций ROMP выполняется. Наконец, количество сшивающего агента, необходимого для однородных BASPs будет широко варьировать в зависимости сшивающего агента и структуры ММ. Как показано на рисунке 2, 10 экв сшивателя С не достаточно, чтобы обеспечить полные BI преобразования. В других случаях, мы находим, что добавление 1 экв сшивающего агента, и даже до 40 Чувствительность, дает хорошие результаты. Всякий раз, когда новый сшивающий будет использоваться, мы рекомендуем запускать серию мелких реакций с различными значениями N определить оптимальное количество сшивающего агента.

В качестве последнего замечания, важно понимать, что существует много альтернативных способов для изготовления полимеров в форме звезды (ядро-первых, рука-первых, и т.д.) 25, 26. Каждый метод имеет свои недостатки и преимущества, такие как пределов размера, требований очистки и совместимости функциональных групп. Мы утверждаем, что широкая функциональная толерантность группа ROMP,простота синтеза норборнена на основе функциональных мономеров, а также возможность выполнять Ромп реакции по крышке быстро, параллельно, и при комнатной температуре, чтобы щетка-первой ROMP подход заслуживает внимания для различных применений. В будущем, мы будем продолжать развивать этот метод и BASP nanoarchitectures для различных приложений, включая лекарства и доставки генов, клеточного изображений, и самосборки. Полный потенциал этих новых частиц и их способности к комбинаторной синтеза, до сих пор не изучены.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы не имеют ничего раскрывать.

Acknowledgments

Мы благодарим MIT химический факультет и понятия комитет Линкольна МТИ Labs Расширенный за поддержку этой работы.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Grubbs Second Generation Catalyst Materia (or Sigma Aldrich) C848 (Sigma Aldrich: 569747) Used as purchased from manufacturer.
*Provided as a generous gift.
Pyridine Sigma Aldrich 270970 Used as purchased from manufacturer
O-(2-aminoethyl)polyethylene glycol 3000 Sigma Aldrich 07969 Used as purchased from manufacturer
PEG-MM N/A N/A Synthesized following reported procedures (Ref. 21, protocol 1)
norbornene-N-hydroxysuccinimidyl (NHS) ester N/A N/A Synthesized following reported procedures (Ref. 21)
Bis-norb-NBOC Crosslinker N/A N/A Synthesized following reported procedures (Ref. 21)
Pentane Sigma Aldrich 158941 Used as purchased from manufacturer
Tetrahydrofuran (HPLC grade) Sigma Aldrich 34865 Dried and purified over a solvent purification columns
Dichloromethane VWR BDH1113-4LG Used as purchased from manufacturer
Acetonitrile (HPLC grade) Sigma Aldrich 34998 Used as purchased from manufacturer
Acetic Acid Sigma Aldrich A6283 Used as purchased from manufacturer
Sodium sulfate Sigma Aldrich 239313 Used as purchased from manufacturer
Diethyl ether Sigma Aldrich 673811 Used as purchased from manufacturer
Dimethylformamide (HPLC grade) Sigma Aldrich 270547 Used as purchased from manufacturer
Lithium Bromide Sigma Aldrich 213225 Used as purchased from manufacturer
MillQ Biocel A10 Millipore
Beckmann Coulter HPLC (127p solvent module, 166p detector) Beckmann Coulter
Zorbax 300SB-C18 PrepHT reverse phase column Agilent
1260 Infinity Liquid Chromatography Agilent
GPC KD-806M column Shodex
Dawn Heleos II Light Scatterer Wyatt
Optilab T-rEX Refractive Index Detector Wyatt
Glass Scintillation Vials - 40 ml Chemglass CG-4909-05
Glass Scintillation Vials - 4 ml Chemglass CG-4904-06
Glass Scintillation Vials (PTFE-lined cap) - 2 ml Agilent 5183-4518
Stir-bars VWR 5894x various sizes
13 mm 0.45 µm Nylon Syringe filter PerkinElmer 02542903
13 mm 0.45 µm polytetrafluoroethylene syringe filter PerkinElmer 02542909
1 ml disposable syringes VWR 53548-001
Swing bucket centrifuge or similar Should be able to reach approximately 4,000 rpm
Round bottom flask
Fritted glass filter assembly
Rotary Evaporator
Balance

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Bielawski, C. W., Grubbs, R. H. Living ring-opening metathesis polymerization. Prog. Polym. Sci. 32, 1-29 (2007).
  2. Hawker, C. J. The Convergence of Synthetic Organic and Polymer Chemistries. Science. 309, 1200-1205 (2005).
  3. Peer, D., Karp, J. M., Hong, S., Farokhzad, O. C., Margalit, R., Langer, R. Nanocarriers as an emerging platform for cancer therapy. Nat. Nano. 2, 751-760 (2007).
  4. Whitesides, G. M. Nanoscience, Nanotechnology, and Chemistry. Small. 1, 172-179 (2005).
  5. Leitgeb, A., Wappel, J., Slugovc, C. The ROMP toolbox upgraded. Polymer. 51, 2927-2946 (2010).
  6. Johnson, J. A., Lu, Y. Y., Burts, A. O., Lim, Y. -H., Finn, M. G., Koberstein, J. T., Turro, N. J., Tirrell, D. A., Grubbs, R. H. Core-Clickable PEG-Branch-Azide Bivalent-Bottle-Brush Polymers by ROMP: Grafting-Through and Clicking-To. J. Am. Chem. Soc. 133, 559-566 (2010).
  7. Bielawski, C. W., Grubbs, R. H. Highly Efficient Ring-Opening Metathesis Polymerization (ROMP) Using New Ruthenium Catalysts Containing N-Heterocyclic Carbene Ligands. Angew. Chem. Int. Ed. 39, 2903-2906 (2000).
  8. Love, J. A., Morgan, J. P., Trnka, T. M., Grubbs, R. H. A Practical and Highly Active Ruthenium-Based Catalyst that Effects the Cross Metathesis of Acrylonitrile. Angew. Chem. Int. Ed. 41, 4035-4037 (2002).
  9. Lu, J. A., Johnson, Y. Y., Burts, A. O., Xia, Y., Durrell, A. C., Tirrell, D. A., Grubbs, R. H. Drug-Loaded, Bivalent-Bottle-Brush Polymers by Graft-through ROMP. Macromolecules. 43, 10326-10335 (2010).
  10. Burts, A. O., Li, Y. J., Zhukhovitskiy, A. V., Patel, P. R., Grubbs, R. H., Ottaviani, M. F., Turro, N. J., Johnson, J. A. Using EPR To Compare PEG-branch-nitroxide "Bivalent-Brush Polymers" and Traditional PEG Bottle-Brush Polymers: Branching Makes a Difference. Macromolecules. 45, 8310-8318 (2012).
  11. Bazan, G. C., Schrock, R. R. Synthesis of star block copolymers by controlled ring-opening metathesis polymerization. Macromolecules. 24, 817-823 (1991).
  12. Saunders, R. S., Cohen, R. E., Wong, S. J., Schrock, R. R. Synthesis of amphiphilic star block copolymers using ring-opening metathesis polymerization. Macromolecules. 25, 2055-2057 (1992).
  13. Buchmeiser, M. R., Wurst, K. Access to Well-Defined Heterogeneous Catalytic Systems via Ring-Opening Metathesis Polymerization (ROMP): Applications in Palladium(II)-Mediated Coupling Reactions. J. Am. Chem. Soc. 121, 11101-11107 (1999).
  14. Weichelt, F., Frerich, B., Lenz, S., Tiede, S., Buchmeiser, M. R. Ring-Opening Metathesis Polymerization-Based Synthesis of CaCO3 Nanoparticle-Reinforced Polymeric Monoliths for Tissue Engineering. Macromol. Rapid Comm. 31, 1540-1545 (2010).
  15. Weichelt, F., Lenz, S., Tiede, S., Reinhardt, I., Frerich, B., Buchmeiser, M. R. ROMP-Derived cyclooctene-based monolithic polymeric materials reinforced with inorganic nanoparticles for applications in tissue engineering. Beilstein J. Org. Chem. 6, 1199-1205 (2010).
  16. Mayr, M., Mayr, B., Buchmeiser, M. R. Monolithic Materials: New High-Performance Supports for Permanently Immobilized Metathesis Catalysts. Angew. Chem. Int. Ed. 40, 3839-3842 (2001).
  17. Mayr, B. H., ölzl, G., Eder, K., Buchmeiser, M. R., Huber, C. G. Hydrophobic, Pellicular, Monolithic Capillary Columns Based on Cross-Linked Polynorbornene for Biopolymer Separations. Anal. Chem. 74, 6080-6087 (2002).
  18. Otani, H., Fujita, S., Watanabe, Y., Fujiki, M., Nomura, K. A Facile, Controlled Synthesis of Soluble Star Polymers Containing a Sugar Residue by Ring-Opening Metathesis Polymerization (ROMP). Macromol. Symp. 293, 53-57 (2010).
  19. Nomura, K., Watanabe, Y., Fujita, S., Fujiki, M., Otani, H. Facile Controlled Synthesis of Soluble Star Shape Polymers by Ring-Opening Metathesis Polymerization (ROMP). Macromolecules. 42, 899-901 (2009).
  20. Gao, H., Ohno, S., Matyjaszewski, K. Low Polydispersity Star Polymers via Cross-Linking Macromonomers by ATRP. J. Am. Chem. Soc. 128, 15111-15113 (2006).
  21. Liu, J., Burts, A. O., Li, Y., Zhukhovitskiy, A. V., Ottaviani, M. F., Turro, N. J., Johnson, J. A. "Brush-First" Method for the Parallel Synthesis of Photocleavable, Nitroxide-Labeled Poly(ethylene glycol) Star Polymers. J. Am. Chem. Soc. 134, 16337-16344 (2012).
  22. Studer, P., Larras, V., Riess, G. Amino end-functionalized poly(ethylene oxide)-block-poly(methylidene malonate 2.1.2) block copolymers: synthesis, characterization, and chemical modification for targeting purposes. Eur. Polym. J. 44, 1714-1721 (2008).
  23. Mosquet, M., Chevalier, Y., Le Perchec, P., Guicquero, J. P. Synthesis of poly (ethylene oxide) with a terminal amino group by anionic polymerization of ethylene oxide initiated by aminoalcoholates. Macromol. Chem. Phys. 198, 2457-2474 (1997).
  24. Burchard, W. Solution properties of branched macromolecules. Adv. Polym. Sci. 143, 113-194 (1999).
  25. Gao, H. F. Development of Star Polymers as Unimolecular Containers for Nanomaterials. Macromol. Rapid Comm. , 722-734 (2012).
  26. Blencowe, A., Tan, J. F., Goh, T. K., Qiao, G. G. Core cross-linked star polymers via controlled radical polymerisation. Polymer. 50, 5-32 (2009).
  27. Burts, A. O., Liao, L., Lu, Y. Y., Tirrell, D. A., Johnson, J. A. Brush-first and Click: Efficient Synthesis of Nanoparticles that Degrade and Release Doxorubicin in Response to Light. Photochem. Photobiol. , (2013).

Tags

Химия выпуск 80 Chemical Engineering наночастицы полимеры системы доставки лекарств полимеризации полимеры Biomedical и Стоматологические материалы кисть первый полиэтиленгликоль фоторазложению полимеризацией с раскрытием кольца метатезиса кисть полимера звездчатый полимер доставки лекарств гель-проникающей хроматографии руки во-первых основной функционал действием света
Частицы без коробки: Щетка-первая Синтез фотодеградируемое ПЭГ Star полимеров в условиях окружающей среды
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Liu, J., Gao, A. X., Johnson, J. A.… More

Liu, J., Gao, A. X., Johnson, J. A. Particles without a Box: Brush-first Synthesis of Photodegradable PEG Star Polymers under Ambient Conditions. J. Vis. Exp. (80), e50874, doi:10.3791/50874 (2013).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter