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Chemistry

Functionalized विनील Monomers एक दृश्य प्रकाश Photocatalyst के रूप में उपयोग करते हुए PERYLENE के परमाणु स्थानांतरण कट्टरपंथी polymerization

Published: April 22, 2016 doi: 10.3791/53571
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1
1Department of Chemistry and Biochemistry, University of Colorado Boulder

Protocol

चेतावनी: इस प्रोटोकॉल में प्रयुक्त रसायनों के कई खतरनाक पदार्थ हैं। परामर्श करें सामग्री सुरक्षा डाटा शीट (एमएसडीएस) और जब इन पदार्थों के साथ काम करना उचित व्यक्तिगत सुरक्षा उपकरण (पीपीई) का उपयोग करें।

1. शोधन, तैयार करना, और अभिकर्मकों के भंडारण

  1. सभी सॉल्वैंट्स निर्माता प्रोटोकॉल के अनुसार एक विलायक शोधन प्रणाली का उपयोग कर इस्तेमाल किया जा करने के लिए शुद्ध। एक विलायक शोधन प्रणाली उपलब्ध नहीं है, तो सुखाने एजेंट (जैसे, आणविक चलनी, CAH 2, आदि) और आसवन का उपयोग करें। एक बार जब कमरे के तापमान पर glovebox में नाइट्रोजन वातावरण के तहत सूखे, दुकान सॉल्वैंट्स।
  2. निर्माता प्रोटोकॉल के अनुसार निर्वात आसवन द्वारा सभी monomers शुद्ध। एक बार एक फ्रिज में नाइट्रोजन वातावरण के नीचे काले बोतलों में आसुत, स्टोर monomers।
  3. निर्माता प्रोटोकॉल के अनुसार निर्वात आसवन द्वारा initiators शुद्ध। एक बार आसुत में, दुकान initiatorsएक रेफ्रिजरेटर में नाइट्रोजन वातावरण के नीचे काले बोतलें।
  4. निर्माता प्रोटोकॉल के अनुसार बनाने की क्रिया द्वारा PERYLENE शुद्ध। एक बार जब sublimed, कमरे के तापमान पर benchtop पर PERYLENE की दुकान।
  5. CDCl 3 की 100 ग्राम की बोतल के लिए 25.0 मिलीग्राम BHT जोड़कर butylated HYDROXYTOLUENE deuterated क्लोरोफॉर्म में (Bht) (CDCl 3) के एक 250 पीपीएम समाधान तैयार है। तैयार है और benchtop पर इस समाधान की दुकान।

2. मिथाइल methacrylate के photopolymerization Photocatalyst के रूप में उपयोग करते हुए PERYLENE

  1. सभी अभिकर्मकों कमरे के तापमान पर आने के लिए अनुमति दें। सभी अभिकर्मकों सुनिश्चित करने के लिए इस तरह के रंग बिगाड़ना या ठोस कणों के गठन के रूप में प्रदूषण का कोई संकेत नहीं है, वहाँ का उपयोग करने से पहले का निरीक्षण किया।
  2. एक नाइट्रोजन वातावरण glovebox में, एक 20 मिलीलीटर जगमगाहट शीशी में एक छोटी सी हलचल बार जगह है। 2.36 मिलीग्राम PERYLENE की (9.38 μmol, 1.00 EQ।) जोड़ें।
  3. 1.00 मिलीलीटर dimethylformamide (DMF) जोड़ें।
  4. इस मिश्रण करने के लिए, 1.00 मिलीलीटर (9.38 mmol जोड़ने1,000 EQ।) मिथाइल methacrylate की (एमएमए)।
  5. एक हलचल प्लेट 1600 rpm के लिए सेट और सफेद प्रकाश उत्सर्जक डायोड (एलईडी) के स्ट्रिप्स द्वारा प्रबुद्ध पर शीशी रखें। अन्य प्रकाश स्रोतों (जैसे, भूमि के ऊपर रोशनी, पास Windows) से किसी भी रोशनी सीमित करें।
  6. Α-एथिल एसीटेट bromophenyl (ईबीपी) पिपेट के माध्यम से (93.8 μmol, 10.0 EQ।) प्रतिक्रिया आरंभ करने के लिए, 16.4 μl जोड़ें।
    नोट: इस प्रतिक्रिया प्राकृतिक धूप का उपयोग कर प्रदर्शन करने के लिए, ऊपर चरणों का पालन करें, 2.5 कदम की अनदेखी, तो शीशी सील, यह glovebox से बाहर लाने के लिए, और एक क्षेत्र प्राकृतिक धूप से प्रकाशित में शीशी जगह है।
  7. लगातार रोशनी के तहत 24 घंटे के लिए प्रतिक्रिया हिलाओ। पृथक और कदम 4.1 में निर्देशों का पालन करके उत्पाद पाली (एमएमए) को शुद्ध - 4.4।

3. रिएक्शन की काइनेटिक एनालिसिस

  1. Benchtop पर, एक 2 मिलीलीटर की शीशी में CDCl 3 समाधान में BHT के 0.70 मिलीलीटर बांटना और पट टोपी के साथ सील। इस शीशी मैं लाने glovebox जहां polymerization प्रदर्शन किया जा रहा है Nto।
  2. प्रतिक्रिया मिश्रण के 0.20 मिलीलीटर दूर करने के लिए एक सिरिंज का प्रयोग करें। CDCl 3 में BHT के 250 पीपीएम समाधान युक्त 2 मिलीलीटर की शीशी में सिरिंज की सामग्री को इंजेक्षन। वापस खींचना और कई बार सवार में धक्का polymerization की पूरी तरह से शमन सुनिश्चित करने के लिए।
  3. एक एनएमआर (परमाणु चुंबकीय अनुनाद) स्पेक्ट्रोस्कोपी ट्यूब के लिए 2 मिलीलीटर शीशी की सामग्री स्थानांतरण। प्रतिशत रूपांतरण के लिए 1 एच एनएमआर स्पेक्ट्रोस्कोपी के माध्यम से इस नमूने का विश्लेषण करें। 24
  4. PERYLENE का उपयोग कर मिथाइल methacrylate के polymerization के विशिष्ट उदाहरण के लिए, शिखर unreacted मोनोमर (δ = 3.62) (एम) के methoxy hydrogens करने के लिए इसी के तहत क्षेत्र की तुलना द्वारा नमूने के 1 एच एनएमआर स्पेक्ट्रम से प्रतिशत रूपांतरण की गणना और बहुलक (δ = 3.50) (पी) निम्न सूत्र का उपयोग करने का methoxy hydrogens करने के लिए इसी चोटी के तहत क्षेत्र:
    1 "src =" / files / ftp_upload / 53571 / 53571eq1.jpg "/>
  5. विश्लेषण के बाद, एक साफ 20 मिलीलीटर जगमगाहट शीशी में एनएमआर स्पेक्ट्रोस्कोपी ट्यूब की सामग्री डालो। कम दबाव के तहत विलायक लुप्त हो जाना। (THF) tetrahydrofuran के 1.00 मिलीलीटर में नमूना फिर से भंग।
  6. एक स्वच्छ 2 मिलीलीटर शीशी में एक सिरिंज फिल्टर के माध्यम से नमूना भेजें। जेल पारगमन क्रोमैटोग्राफी (जीपीसी) संख्या औसत आणविक वजन (एम एन), वजन औसत आणविक वजन (एम डब्ल्यू), और dispersity (डीजे) निर्धारित करने के लिए बहु कोण प्रकाश बिखरने के साथ युग्मित के माध्यम से नमूना विश्लेषण। 24

4. अलगाव और उत्पाद पॉलिमर की शुद्धि

  1. मेथनॉल के एक 50 गुना अधिक में प्रतिक्रिया मिश्रण की सामग्री डालने का कार्य और कम से कम 1 घंटे के लिए हलचल दे द्वारा polymerization प्रतिक्रिया बुझाने।
  2. निर्माता के अनुसार वैक्यूम निस्पंदन द्वारा मेथनॉल से पाली (मिथाइल methacrylate) को अलगमसविदा बनाना।
    नोट: अलगाव विधि बहुलक उत्पादन के आधार पर अलग अलग होंगे। पाली (मिथाइल methacrylate) और polystyrene के लिए, वैक्यूम मेथनॉल एक Büchner कीप का उपयोग करने से उपजी बहुलक फिल्टर। पाली (butyl acrylate) के लिए, चिपचिपा बहुलक से मेथनॉल छानना।
  3. एक अतिरिक्त 100 मिलीलीटर मेथनॉल के साथ बहुलक कुल्ला।
  4. फिर से भंग क्लोराइड और दोहराने में बहुलक 4.3 के माध्यम से 4.1 कदम दो बार ऊपर।

5. Styrene साथ एक एमएमए Macroinitiator की चेन विस्तार पाली (एमएमए) का उत्पादन करने के लिए बी-पाली (एस)

  1. सभी अभिकर्मकों कमरे के तापमान पर आने के लिए अनुमति दें। सभी अभिकर्मकों सुनिश्चित करने के लिए इस तरह के रंग बिगाड़ना या ठोस कणों के गठन के रूप में प्रदूषण का कोई संकेत नहीं है, वहाँ का उपयोग करने से पहले का निरीक्षण किया।
  2. एक नाइट्रोजन वातावरण glovebox में, पाली (एमएमए) के 136 मिलीग्राम (2.34 μmol, 1.00 EQ।) जगह macroinitiator एक 20 मिलीलीटर जगमगाहट शीशी एक छोटी सी हलचल पट्टी के साथ फिट में।
  3. 0.59 मिलीग्राम PERYLENE (2.34 μmol, 1.0 जोड़े0 EQ।)।
  4. 1.00 मिलीलीटर DMF जोड़ें।
  5. एक हलचल प्लेट 1,600 आरपीएम के लिए सेट और सफेद एल ई डी के स्ट्रिप्स द्वारा प्रबुद्ध पर शीशी रखें। अन्य प्रकाश स्रोतों (जैसे, भूमि के ऊपर रोशनी, पास Windows) से किसी भी रोशनी सीमित करें।
  6. इस मिश्रण करने के लिए, पिपेट के माध्यम से styrene (एस) के 1.24 मिलीलीटर (11.7 mmol, 5000 EQ।) जोड़ें।
  7. लगातार रोशनी के तहत 24 घंटे के लिए प्रतिक्रिया हिलाओ। अलग करने और उत्पाद पाली शुद्ध (एमएमए) बी-पाली (एस) कदम 4.1 में निर्देशों का पालन करके - 4.4।

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Representative Results

तालिका 1 इस विधि के माध्यम से प्राप्त polymerization के परिणामों की सीमा से पता चलता। इन आंकड़ों से पता चलता है कि PERYLENE क्रियाशील विनाइल monomers के एक नंबर के polymerization के लिए एक photocatalyst के रूप में सेवा करने में सक्षम है। एक विशिष्ट मोनोमर के लिए, ऐसे विलायक, stoichiometry, सर्जक, और प्रकाश स्रोत के रूप में प्रतिक्रिया मानकों के एक नंबर से किसी का समायोजन आणविक वजन और बहुत अच्छा करने के लिए नहीं बल्कि व्यापक से लेकर dispersities बदलती के साथ पॉलिमर की ओर जाता है। चित्रा 1 chain- के परिणामों से पता चलता है भाग 4 में वर्णित है, और यह दर्शाता है कि इस विधि का उपयोग का गठन पॉलिमर निरंतर polymerization और ब्लॉक (सीओ) पॉलिमर के गठन के लिए macroinitiators के रूप में सेवा करने में सक्षम हैं के रूप में विस्तार प्रयोगों। इन परिणामों के एक साथ निष्कर्ष है कि, सही परिस्थितियों में, PERYLENE एक परमाणु हस्तांतरण कट्टरपंथी polymerization दृश्य प्रकाश का उपयोग कर की सुविधा समर्थन करते हैं।

तालिका 1 polymerization प्रक्रिया के प्रतिनिधि परिणाम है। जब तक अन्यथा नोट, polymerizations मोनोमर की 1.00 मिलीग्राम और विलायक तालिका में निर्दिष्ट और एक सफेद प्रकाश स्रोत के रूप में एलईडी का उपयोग कर 24 घंटे के लिए चलाने का 1.00 मिलीलीटर का उपयोग कर प्रदर्शन किया गया। इस्तेमाल किया Monomers मिथाइल methacrylate (एमएमए), glycidyl methacrylate (जीएमए), butyl acrylate (बीए), butyl methacrylate (बीएमए), और styrene (एस) थे। इस्तेमाल किया initiators एथिल α-bromophenylacetate (ईबीपी), मिथाइल α-bromoisobutyrate (MBI), और diethyl 2-ब्रोमो-2-methylmalonate (डी एम एम)। उत्प्रेरक (PERYLENE) के सर्जक को मोनोमर के अनुपात के थे। बी पृथक उपज। सी निर्धारित बहु कोण प्रकाश बिखरने का उपयोग कर। प्रकाश स्रोत के रूप में प्राकृतिक धूप का उपयोग कर 10 घंटे के लिए आयोजित घ।

आकृति 1
चित्रा 1. ब्यूटाइल acrylate (बी), मिथाइल methacrylate (सी), styrene (डी), और butyl methacrylate (ई)। पाली की मढ़ा जीपीसी निशान के साथ एक पाली (एमएमए) macroinitiator (ए) का उपयोग कर चेन विस्तार polymerizations के परिणाम (एमएमए) macroinitiator (काला) पाली (एमएमए) के साथ बी-पाली (एमएमए) (लाल), पाली (एमएमए) बी-पाली (बीएमए) (बैंगनी), पाली (एमएमए) बी-पाली (एस) ( नीले), या पाली (एमएमए) बी-पाली (बीए) (हरा)।

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Discussion

हालांकि प्रोटोकॉल इस polymerization तकनीक का एक विशिष्ट उदाहरण दर्शाता है, इस प्रतिक्रिया के प्रदर्शन के शोधकर्ता के लिए उपलब्ध विकल्प काफी व्यापक हैं। संशोधनों के अनुकूलन के लिए जो कुछ भी विशेष photoredox की ATRP प्रदर्शन किया जा रहा है के लिए अनुमति देने के लिए प्रोटोकॉल भर में अंकों की संख्या में बनाया जा सकता है। नई monomers, सेवक, और इस प्रतिक्रिया जांच के तहत आने के लिए उत्प्रेरक के रूप में, stoichiometry और विलायक कर सकते हैं प्रतिक्रिया प्रदर्शन करने के लिए इस्तेमाल किया और प्रतिक्रिया की स्थिति के अनुकूलन के हिस्से के रूप में संशोधित किया जाना चाहिए। इसके अतिरिक्त, व्यक्तिगत प्रयोगकर्ताओं इस तरह की प्रतिक्रिया एकाग्रता, प्रकाश स्रोत के रूप में अन्य मानकों को संशोधित करने के लिए एक दिशानिर्देश के रूप में 1 टेबल का उपयोग करने के लिए चुन सकते हैं (चाहे वह एलईडी या प्राकृतिक धूप), और तापमान क्रम में धुन करने के लिए वांछित सटीक परिणाम के लिए प्रतिक्रिया।

इस पद्धति की सीमाओं अन्य, संबंधित polymerizations के समान हैं। प्रतिक्रिया oxyg के प्रति संवेदनशील हैएन, प्रत्येक प्रतिक्रिया घटक के इतने कठोर शुद्धि आवश्यक है। इस प्रक्रिया के परिणाम लगातार हो नहीं पाए जाते हैं, तो अभिकर्मकों के प्रदूषण की संभावना सबसे अधिक संदिग्ध है। हमेशा सुनिश्चित करें कि सभी अभिकर्मकों, शुद्ध तैयार है, और संग्रहित कर रहे हैं भाग 1. इसके अतिरिक्त के रूप में वर्णित, भाग 3 में शुद्धिकरण की प्रक्रिया जब विशेष बहुलक की घुलनशीलता प्रोफ़ाइल के अनुसार विभिन्न पॉलिमर synthesizing संशोधित करने की आवश्यकता हो सकती है। अंत में, यह ध्यान दें कि पारंपरिक, अनियंत्रित कट्टरपंथी polymerization हो सकता है यदि प्रकाश प्रवाह या तापमान बहुत अधिक है महत्वपूर्ण है। यह समस्या एक bimodal आणविक वजन वितरण और / या (> 2.0) डीजे के उच्च मूल्यों से संकेत दिया जा सकता है। यह एक प्रशंसक का उपयोग करने के glovebox के रूप में संभव के रूप में कमरे के तापमान के करीब में तापमान रखने के लिए सिफारिश की है। प्रकाश प्रवाह बहुत अधिक होने का संदेह है, तो यह भी इस्तेमाल किया एल ई डी की संख्या को कम करने के लिए या वोल्टेज एल ई डी के लिए आपूर्ति को कम करने की सिफारिश की है। अतिरिक्तप्रयोगों वर्तमान में ठीक इष्टतम चमकदार प्रवाह सीमा निर्धारित करने के लिए polymerization पर नियंत्रण सुनिश्चित करने के लिए चल रहे हैं।

परिणाम बताते हैं कि PERYLENE एक ऑक्सीडेटिव शमन मार्ग के माध्यम से क्रियाशील विनाइल monomers के एक नंबर के कट्टरपंथी polymerization मध्यस्थता करने में सक्षम है। नियंत्रण प्रयोगों, जिसमें या तो उत्प्रेरक, सर्जक, या प्रकाश स्रोत पर रोक लगाई गई थी, पता चला है कि इन सभी घटकों के तीन polymerization आगे बढ़ने के लिए आवश्यक हैं। अतिरिक्त नियंत्रण प्रयोगों यह भी पता चलता है कि हवा-बहिष्कार तकनीकों के उपयोग (इस मामले में, एक glovebox) आवश्यक है, ऑक्सीजन की उपस्थिति polymerization घटित करने के लिए अनुमति नहीं है के रूप में। एक स्पंदित प्रकाश अनुक्रम से पता चला है कि polymerization रुका और प्रकाश स्रोत पर बंद और वापस मोड़, प्रतिक्रिया पर अस्थायी नियंत्रण के लिए अनुमति देकर फिर से शुरू किया जा सकता है। एक प्रतिवर्ती-छोड़ना परमाणु हस्तांतरण तंत्र के लिए समर्थन ऐसे में उन लोगों के रूप में श्रृंखला विस्तार प्रयोगों के माध्यम से पाया जाता है <strong> चित्रा 1। जब अपेक्षाकृत कम Đ मूल्यों तालिका 1 में पाया जा सकता है के साथ युग्मित, वहाँ सबूत इस polymerization photoredox का एक उदाहरण organocatalyzed ATRP, अपनी तरह का पहला के बीच है।

ATRP के इस नए प्रकार के विकास और विस्तार करने के लिए जारी है, प्रतिक्रिया के लिए, डिजाइन करने के लिए परीक्षण, और कई नए संभावित उत्प्रेरक का अनुकूलन एक की जरूरत नहीं होगी। इस तरह के भविष्य के काम की व्याख्या करने के लिए जब वहाँ स्थिरता और इन प्रतिक्रियाओं का अध्ययन करने के लिए इस्तेमाल किया तरीकों में पारदर्शिता है आसान हो जाएगा। यहाँ, हम विधि है जिसके द्वारा हम रोजगार और दृश्य प्रकाश की मध्यस्थता परमाणु हस्तांतरण कट्टरपंथी polymerization के लिए organocatalysts का मूल्यांकन भेजी है।

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
perylene, min 98.0% TCI America TCP0078-025G purify by sublimation
N,N-dimethylformamide VWR EM-DX1726-1 Omnisolv
methyl methacrylate, 99% VWR 200000-678 distilled prior to use, stored in refrigerator
ethyl α-bromophenyl acetate  Aldrich 554065 distilled prior to use stored in refrigerator
butylated hydroxytoluene  Aldrich W218405
Chloroform-D Cambridge Isotope Labs DLM-7-100
tetrahydrofuran VWR EM-TX0279-1 Omnisolv
methanol VWR BDH1135
dichloromethane VWR EM-DX0831-1 Omnisolv
styrene, 99% VWR AAAA18481-0F distilled prior to use, stored in refrigerator
glass scintillation vial, 20 ml VWR 66022-065
screw top vial, 2 ml Agilent 5182-0715
septum cap for screw top vial Agilent 5182-0717
heavy wall pressure vessel, 100 ml Synthware P160005 
syringe, 1 ml norm-ject VWR 89174-491
NMR tube New Era NE-UL5-7'
nylon syringe filter, 0.45 μm VWR 28143-240
glovebox Mbraun LABstar
solvent purification system Mbraun MB-SPS-800
stirplate IKA 3582401
light-emitting diodes Creative Lighting Solutions CL-FRS1210-5M-12V-WH 2x 12-inch strips of 5500 K white LEDs were used for illumination
12 V DC power supply for LEDs Creative Lighting Solutions CL-PS16001-40W
high performance liquid chromatograph  Agilent G1310B, G1322A, G1329B, G1316A
gel permeation size-exclusion columns Agilent PL1110-6500
multi-angle light scattering detector Wyatt WTREOS
differential refractometer Wyatt WTREX

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References

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रसायन विज्ञान अंक 110 बहुलक रसायन शास्त्र photochemistry photocatalysis कट्टरपंथी polymerization ग्रीन कैमिस्ट्री organocatalysis
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Theriot, J. C., Ryan, M. D., French, … More

Theriot, J. C., Ryan, M. D., French, T. A., Pearson, R. M., Miyake, G. M. Atom Transfer Radical Polymerization of Functionalized Vinyl Monomers Using Perylene as a Visible Light Photocatalyst. J. Vis. Exp. (110), e53571, doi:10.3791/53571 (2016).

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