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方法文章

由 Ni/Zn 配合物介导的 O-羧基环酐可控光氧化还原开环聚合

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DOI：

10.3791/56654

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2017年11月21日

 , 
1Center for Molecular Systems and Organic Devices, Institute of Optoelectronic Materials, Key Laboratory for Organic Electronics and Information Displays & Institute of Advanced Materials, Jiangsu National Synergetic Innovation Center for Advanced Materials, Nanjing University of Posts and Telecommunications, 2Department of Chemical Engineering, Virginia Polytechnic Institute and State University

本文内容

摘要

本文介绍了一种由Ni/Zn配合物介导的O-羧基环酐可控光氧化还原开环聚合反应的实验方案。

摘要

本文描述了一种有效的方案，该方案结合了光氧化还原镍/铱催化体系与锌醇盐的使用，实现高效的开环聚合，从而合成具有预期分子量（>140 kDa）和窄分子量分布（Mw/Mn < 1.1）的等规聚（α-羟基酸）。该开环聚合反应在醇类引发剂和光氧化还原铱催化剂存在下，由镍和锌配合物介导，并通过蓝光LED（400 - 500 nm）照射引发。聚合反应在低温（-15 °C）下进行，以避免不必要的副反应。在4至8小时内即可实现单体的完全消耗，所得聚合物的分子量接近预期值，且分子量分布狭窄。所得数均分子量与聚合度在高达1000的范围内呈良好的线性关系。同核去耦1H NMR研究表明，所获得的聚合物为等规结构，且未发生差向异构化。本研究所报道的聚合方法为快速、可控地进行O-羧基环酐聚合提供了有效策略，可用于制备具有多种功能侧链基团的立体规整聚（α-羟基酸）及其共聚物。

引言

聚(α-羟基酸)（PAHA）是一类重要的可生物降解且生物相容性良好的聚合物，其应用范围涵盖从生物医学器件到包装材料等多个领域。1,2 尽管PAHA可通过α-羟基酸直接缩聚制备，但所得PAHA的分子量（MW）通常较低。3 通过内酯（如丙交酯和乙交酯）的开环聚合（ROP）是另一种合成方法，相较于缩聚法，能够更有效地控制分子量及其分布（Đ）。然而，PAHA及内酯单体缺乏侧链官能团，限制了其物理化学性质的多样性和应用范围。4,5 自2006年以来，一类被称为O-羧基环酐（OCAs）的1,3-二氧杂环戊烷-2,4-二酮化合物因其可引入多种多样的侧链官能团6,7,8,9,10,11,12,13，逐渐成为聚酯聚合中另一类高活性单体。14,15

OCA开环聚合（ROP）的催化体系可分为有机催化剂8,12,16,17、有机金属催化剂12,18,19,20,21和生物催化剂22。通常，有机催化剂催化的OCA开环聚合过程在不同程度上缺乏控制性，例如含有吸电子基团的OCA会发生差向异构化（即缺乏立体规整性）8,17、分子量（MW）不可预测或聚合动力学缓慢13。为解决这些问题，研究人员开发了一种活性锌-烷氧基配合物用于OCA的开环聚合12。该体系在低聚合度（DP）下实现了良好控制的开环聚合，且无差向异构化发生。然而，该锌-烷氧基催化剂无法高效制备高聚合度的聚合物（DP ≥ 300）13。

我们最近报道了一种极具前景的方法，可显著提高PAHA合成的可定制性和效率（图1）13。我们将促进OCA脱羧的光氧化还原Ni/Ir催化剂与锌醇盐结合，以介导OCA的开环聚合。在低温（-15 °C）下，光氧化还原Ni/Ir催化作用协同加速OCA的开环和脱羧过程，实现链增长，同时避免不必要的副反应，例如Ni-羰基化合物的生成23,24。通过与Ni配合物发生转金属化反应，活性Zn-醇盐位于链末端，从而实现链的持续增长13。

在此方案中，我们加入新制备的 (bpy)Ni(COD)（bpy = 2,2'-联吡啶，COD = 1,5-环辛二烯）和 Zn(HMDS)2 （HMDS = 六甲基二硅氮烷），25 苯甲醇（BnOH）和 Ir[dF(CF3)ppy]2(dtbbpy)PF6 (Ir-1，dF(CF3)ppy = 2-(2,4-二氟苯基)-5-(三氟甲基)吡啶，dtbbpy = 4,4'-二-叔丁基-丁基-2,2'-联吡啶）加入到单体中-1 溶液26 在带有冷阱的手套箱中，于蓝光LED灯（400-500 nm）照射下，并使用风扇维持温度（图1）。聚合过程中温度保持在 -15 °C ± 5 °C。通过傅里叶变换红外光谱法监测OCA的转化率。所得聚合物的分子量（MWs）及 该源文本为空，无内容可翻译。通过凝胶渗透色谱法（GPC）对s进行表征。同核去耦 1通过氢核磁共振（H NMR）研究可确定所获得的聚合物是否为等规立构。由于大多数化学品对水分高度敏感，本详细的视频实验方案旨在帮助新手避免在OCAs的光氧化还原开环聚合过程中可能出现的问题。

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方案

注意：使用前请查阅所有相关的材料安全数据表（MSDS）。合成中使用的多种化学试剂具有急性毒性和致癌性。进行反应时，请采用一切适当的安全措施，包括使用工程控制设备（通风橱和手套箱）以及个人防护装备（护目镜、手套、实验服、长裤、封闭式鞋履、防蓝光护目镜）。以下操作涉及在手套箱中进行的标准无水无氧操作技术。所有溶液均使用移液器转移。

1. 催化剂和引发剂的制备

注意：整个过程均在配备冷阱的手套箱中进行。所有化学品在放入手套箱前均需干燥或纯化13。所有小瓶和玻璃器皿在放入手套箱前均需在烘箱中干燥并加热。

  1. (bpy)Ni(COD)溶液的制备
    注意：(bpy)Ni(COD) 应新鲜制备 原位应将其保存在手套箱冰箱中（-35 °C），并在一周内使用。其他所有催化剂和引发剂溶液可在手套箱冰箱中保存超过1个月。
    1. 称取 Ni(COD)₂2 (3.5 mg，12.7 µmol，1.0 当量) 加入至 7 mL 闪烁瓶中。
    2. 称取2,2′-联吡啶（5.9 mg，37.8 µmol）至7 mL闪烁瓶中。
    3. 将2,2′-联吡啶溶解于1 mL无水四氢呋喃（THF）中。
    4. 将所得的2,2′-联吡啶溶液（337 µL）加入含有Ni(COD)的小瓶中2.
    5. 将混合物用1 mL无水THF稀释。
    6. 盖上瓶盖，将反应混合物在室温下放置 2 h。
      注意：Ni(COD)2 在THF中不溶解，而(bpy)Ni(COD)可溶于THF。紫色溶液在2小时后应无沉淀产生。
    7. 将 (bpy)Ni(COD) 储存在 -35 °C 冰箱中。
  2. Zn(HMDS)的制备2 溶液
    1. 加入 Zn(HMDS)2 (3.3 mg，4 µL，8.5 µmol) 加入至7 mL闪烁瓶中。
    2. 将 Zn(HMDS) 溶解2 在1 mL无水THF中。
    3. 储存 Zn(HMDS)2 -35 °C 冰箱中的溶液
  3. BnOH 溶液的制备
    1. 向7 mL 闪烁瓶中加入 BnOH（4.0 mg，4 µL，37.0 µmol）。
    2. 将BnOH溶于4 mL无水THF中。
    3. 将 BnOH 溶液保存在 -35 °C 冰箱中。
  4. Ir-1 溶液的制备
    1. 关闭手套箱灯。
      注意：必须关闭手套箱的灯光，以避免失活 Ir-1 在聚合之前。
    2. 添加 Ir-1 (2.9 mg，2.6 µmol) 加入至一个 7 mL 闪烁瓶中。
    3. 溶解 Ir-1 在3 mL无水THF中。
    4. 储存 Ir-1 -35 °C 冰箱中的溶液

2. l-1 的光氧化还原开环聚合

注意：整个过程在带有冷阱的手套箱中进行。所有OCA单体在使用前均需在手套箱中重结晶13。此处以聚合度DP=500为例（[l -1]/[(bpy)Ni(COD)]/[Zn(HMDS)2]/[BnOH]/[Ir-1] = 500/1/1/1/0.1）。通过相应调整单体质量，也可制备不同聚合度的聚合物。

  1. 聚合用 l-1 溶液的制备
    1. 将 l-1（72.2 mg，375.7 µmol）加入一个 7 mL 闪烁瓶中。
    2. 用 722 µL 无水 THF 溶解 l-1。
    3. 取 200 µL l-1 溶液加入另一个装有搅拌子的 7 mL 闪烁瓶中。
    4. 向该 7 mL 闪烁瓶中加入 100 µL 无水 THF。
    5. 盖紧瓶盖，将 l-1 溶液置于冷阱中。
    6. 关闭手套箱的照明灯。
      注意：为避免聚合前 Ir-1 失活，必须关闭手套箱的照明灯。
  2. 冷却冷阱
    1. 在箱内将一支温度计插入冷阱中。
    2. 在箱外，向杜瓦瓶中加入约 500 mL 乙醇。
    3. 向杜瓦瓶中加入液氮。
    4. 将 KGW 杜瓦瓶安装到冷阱上。
    5. 将冷阱冷却至 -50 °C。
    6. 将搅拌器放置在冷阱下方（见图 1）。
  3. 进行光氧化还原开环聚合
    注意：开始聚合前，应将可阻隔蓝光的安全护目镜置于易取用的位置。所有催化剂体系溶液需立即从冰箱中取出，并在 30 秒内连续、不间断地依次加入含有 20 mg l-1 的 7 mL 闪烁瓶中。
    1. 将 (bpy)Ni(COD) 溶液（16.4 µL，0.208 µmol）加入含有 l-1 的 7 mL 闪烁瓶中（按步骤 2.1 制备）。
    2. 向瓶中加入 Zn(HMDS)2 溶液（24.4 µL，0.208 µmol）。
    3. 向瓶中加入 BnOH 溶液（22.5 µL，0.208 µmol）。
    4. 向瓶中加入 Ir-1 溶液（24.2 µL，0.0208 µmol），然后盖紧瓶盖。
    5. 佩戴可阻隔蓝光 LED 的安全护目镜。
      注意：由于使用了相对高强度的蓝光 LED，整个过程中均需佩戴安全护目镜。
    6. 打开蓝光 LED 灯（34 W）和风扇以散发 LED 灯产生的热量，并将光线对准冷阱中的闪烁瓶。（图 1）
    7. 开启搅拌器。
    8. 用铝箔覆盖冷阱。
    9. 保持反应温度在 -15 ± 5 °C，并每隔 15–20 分钟补充一次液氮。
      注意：维持反应温度对聚合反应及分子量控制至关重要。

3. 通过傅里叶变换红外光谱监测单体转化率

注意：傅里叶变换红外光谱（FTIR）使用配备金刚石ATR和透射采样附件的傅里叶变换红外光谱仪记录。

  1. 在特定时间点，取少量聚合物溶液（20 µL）加入至一个 7 mL 闪烁瓶中，并盖紧瓶盖。
  2. 将闪烁瓶从手套箱中取出。
  3. 立即将溶液（3 µL）滴加到 FTIR-ATR 金刚石采样器上。溶液在 10 秒内形成薄膜，用于光谱测定。
  4. 测量样品的 FTIR 光谱。
    注意：单体转化率通过 1760 cm-1 与 1805 cm-1 处峰强的比值确定：转化率% = I1760/(I1760 + I1805)（代表性结果见图 2）。通常，聚合反应时间为 1–8 小时，聚合度（DP）范围为 200 至 1000（详细动力学参见参考文献 13）。

4. 通过凝胶渗透色谱法测定聚合物的分子量

注意：凝胶渗透色谱（GPC）实验在配备有等度泵（带脱气装置）、多角度激光光散射（MALS）检测器（波长 λ = 690 nm 的 GaAs 30 mW 激光器）和带有 690 nm 光源的差示折光（DRI）检测器的系统上进行。分离过程采用串联连接的尺寸排阻色谱柱（100 Å、500 Å、103 Å 和 104 Å 色谱柱，5 µm，300 × 4.6 mm），以四氢呋喃（THF）为流动相，在 35 °C 条件下以 0.35 mL/min 的流速进行。聚合物的分子量（MW）和分子量分布（Ð）通过 MALS-DRI 数据的 Zimm 模型拟合确定。聚合物中金属配合物的存在不会影响 GPC 测量结果。

  1. 从手套箱中取出少量聚合物溶液（50 µL）。
  2. 向小瓶中加入100 µL四氢呋喃（THF）。
  3. 将样品注入凝胶渗透色谱（GPC）进样器中。
  4. 待GPC运行结束后分析结果。
    注意：聚合物应为单分散性，且分散系数 Đ 较窄（代表性结果见图3）。该聚合物（20 mg）可用1 mL含1% HOAc的乙醚和1 mL甲醇进行干燥和洗涤，根据电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测定，可去除87%的Ni和50%的Zn配合物。

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结果

通过傅里叶变换红外光谱监测OCA的转化过程，如图2所示。1805 cm-1处的峰归属于OCA中酸酐键的伸缩振动；1760 cm-1处的峰对应于聚合物中酯键的形成。当1805 cm-1处单体峰完全消失时，聚合反应即告完成。

分子量和 请提供需要翻译的英文源文本内容。 通过凝胶渗透色谱法对所得聚合物进行表征。 图3 展示通过光控光氧化还原开环聚合制备低聚环烷烃（OCAs），其聚合度（DP）范围为200至1000。增加单体投料比（[l-1]/[Zn(HMDS)2] 比值）导致增加且符合预期的 Mn 所得聚合物的。此外， Mn...

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讨论

该方案中的关键步骤是将反应温度维持在 -15 ± 5 °C。所有催化剂溶液和OCA单体在聚合反应前必须保存在手套箱内的 -35 °C 冰箱中。反应小瓶必须预先在冷阱中冷却。在反应过程中，由于LED光源会散发热量，需每15至20分钟监测一次反应温度。一旦温度升至 -10 °C，应向杜瓦瓶中添加液氮以冷却冷阱。采用低温的原因在于，室温下会形成Ni(CO)配合物，这不利于可控的光氧化还原聚合反应，并会影响聚合物的分子量（MW）和Đ值。13

通过有机催化剂对带有侧链官能团的O-羧基环内酸酐（OCA）进行聚合时，常受到包括差向异构化在内的不可控聚合反应的困扰，从而阻碍了立体规整高分子量聚合物的制备。本光氧化还原调控的开环聚合（ROP）方法可成功制备立体规整的高分子量聚合物，其聚合度（DP）可达1000，适用于多种OCA单体，相关结果已在参考文献13中报道。采用本方法还可简便地通过依次加入不同OCA单体实现共聚反应。然而，对于L-扁桃酸OCA...

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披露

作者声明不存在竞争性财务利益。已针对本文所述结果提交了一项临时专利申请（美国专利申请号：62/414,016）。

致谢

本工作得到了弗吉尼亚理工学院和州立大学启动资金的支持。Q.F. 感谢国家自然科学基金（21504047）、江苏省自然科学基金（BK20150834）以及南京邮电大学科研基金（NUPTSF，NY214179）的资助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
Ni(COD)2Strem28-0010存放于手套箱冰箱中。
2,2′-联吡啶Strem07-0290存放于手套箱冰箱中。
Zn(HMDS)2N/AN/A根据已报道的方法合成25。存放于手套箱冰箱中。
苯甲醇Sigma-Aldrich402834与4Å分子筛一同储存
Ir[dF(CF3)ppy]2(dtbbpy)PF6Strem77-0425存放于手套箱冰箱中。
THFSigma-Aldrich34865经氧化铝柱干燥，并与4Å分子筛一同置于手套箱内避光瓶中储存。
乙醇Sigma-Aldrich793175
配备等度泵的凝胶渗透色谱仪（GPC）AgilentAgilent 1260 系列
Dawn Heleos II 光散射检测器Wyatt
Optilab rEX 示差折光检测器Wyatt
尺寸排阻色谱柱Phenomenex
玻璃闪烁瓶 - 7 mlVWR
傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）Agilent
搅拌子VWR58948-091
天平
手套箱MbraunLabstar Pro

参考文献

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