Methodenartikel

Kontrollierte Photoredox ringöffnende Polymerisation von O- Carboxyanhydrides vermittelt durch Ni/Zn-komplexe

DOI:

10.3791/56654

⸱

21. November 2017

 , 
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

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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Ein Protokoll für die kontrollierte Photoredox ringöffnende Polymerisation von O- Carboxyanhydrides vermittelt durch Ni/Zn-komplexe wird vorgestellt.

Zusammenfassung

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Hier beschreiben wir ein wirksames Protokoll, die Photoredox Ni/IR-Katalyse mit dem Einsatz von Zn-Dehydrierung für effiziente ringöffnende Polymerisation, so dass für die Synthese von isotaktischen Poly (α-Hydroxysäuren) mit erwarteten Molekulargewichte kombiniert (> 140 kDa) und schmalen Molekulargewicht Distributionen (M-w/Mn < 1.1). Diese ringöffnende Polymerisation wird von Ni und Zn-komplexe in Anwesenheit von Alkohol Initiator und ein Photoredox IR-Katalysator, mit einer blauen LED (400-500 nm) bestrahlt vermittelt. Die Polymerisation erfolgt bei niedriger Temperatur (-15 ° C), unerwünschten Nebenreaktionen zu vermeiden. Der komplette Monomer-Verbrauch kann innerhalb von 4-8 Stunden erreicht werden, bietet ein Polymer in der Nähe der erwarteten Molekulargewicht enge Molmassenverteilung. Das führte Anzahl durchschnittliche Molekulargewicht zeigt eine lineare Korrelation mit dem Grad der Polymerisation bis zu 1000. Homodecoupling 1H NMR-Studie bestätigt, dass das erhaltene Polymer isotaktischen ohne Epimerization. Diese Polymerisation berichtet hierin bietet eine Strategie für schnelle und kontrollierte O- Carboxyanhydrides Polymerisation zur Vorbereitung Stereoregular Poly (α-Hydroxysäuren) und seine Copolymere mit verschiedenen funktionellen Sidechain-Gruppen zu erreichen.

Einleitung

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Poly (α-hydroxy-Säure) (PAHA) ist eine wichtige Klasse von biologisch abbaubaren und biokompatiblen Polymeren mit Anwendungen von biomedizinischer Geräte bis hin zu Verpackungsmaterialien. 1 , 2 obwohl PAHAs zubereitet werden direkt durch Polykondensation von α-Hydroxysäuren, die Molmassen (MWs) von den sich daraus ergebenden PAHAs sind in der Regel gering. 3 ringöffnende Polymerisation (ROP) von Lactone (z. B. Lactid und Glykolid) ist eine synthetische Alternative, die die bessere Kontrolle über MWs und Molmassenverteilung (Đ) als Polykondensation ermöglicht. Der Mangel an Sidechain-Funktionalität in PAHAs und Lactone schränken jedoch die Vielfalt der physikalischen und chemischen Eigenschaften und deren Anwendungen. 4 , 5 seit 2006 1,3-Dioxolan-2,4-Diones, sogenannte O- Carboxyanhydrides (OCAs), die mit einer reichen Auswahl an Sidechain-Funktionalitäten,6,7,8, zubereitet werden kann 9 , 10 , 11 , 12 , 13 sind entstanden, als eine alternative Klasse von hochaktiven Monomere für Polyester Polymerisation. 14 , 15

Katalytische Systeme für die ROP OCAs können kategorisiert in Organokatalysatoren,8,12,16,17 organometallischen Katalysatoren12,18,19 ,20,21 und Biokatalysatoren. 22 in der Regel verläuft die ROP OCAs, gefördert durch Organocatalyst mehr oder weniger unkontrolliert, wie Epimerization (z.B. mangelnde Stereoregularity) für OCAs Lager Elektron-Aberkennung der Gruppen,8,17 unvorhersehbare MWs oder langsame Polymerisation Kinetik. 13 um diese Probleme zu beheben, wurde eine Zn-Dehydrierung Wirkstoffkomplex für die ROP OCAs entwickelt. 12 Well-controlled ROPs wurden auf einen niedrigen Grad der Polymerisation (DP) ohne Epimerization erreicht. Jedoch kann nicht dieses Zn-Dehydrierung Katalysator Polymere mit einem hohen Grad der Polymerisation (DP ≥ 300) effizient produzieren. 13

Wir haben vor kurzem einen vielversprechenden Ansatz berichtet, der Anpassbarkeit und Effizienz der PAHA Synthese (Abbildung 1) verbessert. 13 wir verschmelzen Photoredox Ni/IR-Katalysatoren, die Förderung der OCA Decarboxylierung mit Zink Dehydrierung, ringöffnende Polymerisation von OCAs zu vermitteln. Der Einsatz von Niedertemperatur (-15 ° C) und Photoredox Ni/IR-Katalyse beschleunigt synergistisch Ringöffnung und Decarboxylierung der OCA für Kette Ausbreitung unter Vermeidung von unerwünschten Nebenreaktionen, z. B. die Bildung von Ni-Carbonyl. 23 , 24 auf Transmetalation mit Ni komplexe befindet sich die aktive Zn-Dehydrierung an Kette Endstation für die Kette Vermehrung. 13

In diesem Protokoll fügen wir frisch zubereitet (bpy)Ni(COD) (MPJ = 2, 2'-Bipyridyl, COD = 1,5-Cyclooctadiene), Zn(HMDS)2 (HMDS = Hexamethyldisilazane),25 Benzylalkohol (BnOH) und Ir [dF (CF3) Wiedersehen]2(Dtbbpy) PF6 () Ir-1, dF (CF3) Wiedersehen = 2-(2,4-Difluorophenyl)-5-(Trifluormethyl) Pyridin, Dtbbpy = 4, 4' - di -Tert- Butyl-2, 2'-Bipyridine) in das Monomer l-1 Lösung26 in einem Handschuhfach mit einer Kühlfalle, in Gegenwart von einem blaues LED-Licht (400-500 nm) und einen Ventilator, Temperatur (Abbildung 1). Die Temperatur wird während der Polymerisation auf-15 ° C ± 5 ° C gehalten. Die Umwandlung von OCA wird durch die Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie überwacht. Die daraus resultierenden Polymer MWs und Đs zeichnet sich durch ein Gel Permeation Chromatographie (GPC). Homodecoupling 1H NMR Studie legt fest, ob das erhaltene Polymer isotaktischen oder nicht ist. Da die meisten Chemikalien sehr empfindlich auf Feuchtigkeit sind, das ausführliche video-Protokoll soll neue Praktiker zugeordnete Photoredox ROP OCAs Fallstricke zu vermeiden.

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Protokoll

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Achtung: Bitte konsultieren Sie alle relevanten Materialien Sicherheitsdatenblätter (SDB) vor dem Gebrauch. Viele in der Synthese verwendeten Chemikalien sind akut giftig und karzinogen. Wenden Sie alle entsprechenden Sicherheitsmaßnahmen bei der Reaktion, einschließlich des Einsatzes von technischen Kontrollen (Abzugshaube und Handschuhfach) und persönliche Schutzausrüstung (Schutzbrille, Handschuhe, Kittel, in voller Länge Hose, geschlossene Schuhe, Blaulicht-Durchführung Blockieren von Sicherheit Schutzbrillen). Folgende Verfahren beinhalten standard luftfreies Handhabungstechniken in einem Handschuhfach. Alle Lösungen sind mit Pipette übertragen.

1. Vorbereitung von Katalysator und Initiator

Hinweis: Der gesamte Prozess wird in einem Handschuhfach mit einer Kühlfalle durchgeführt. Alle Chemikalien sind getrocknet oder gereinigt bevor Sie in das Feld verschieben. 13 alle Flaschen und Gläser werden getrocknet und erhitzt in den Ofen vor dem Umzug in das Feld ein.

  1. Vorbereitung (bpy)Ni(COD) Lösung
    Hinweis: (bpy)Ni(COD) sollten frisch vor Ortzubereitet werden. Es sollte im Handschuhfach Gefrierfach (-35 ° C) gelagert werden und innerhalb einer Woche verwendet werden. Alle anderen Katalysatoren und Initiator Lösungen können im Handschuhfach Gefrierschrank über 1 Monat gespeichert werden.
    1. Wiegen Sie Ni(COD)2 (3,5 mg, 12,7 µmol, 1,0 Eq) in ein Funkeln 7-mL-Fläschchen.
    2. Wiegen Sie 2, 2′-Bipyridine (5,9 mg, 37.8 µmol) in ein Funkeln 7-mL-Fläschchen.
    3. 2, 2′-Bipyridine in 1 mL wasserfreiem Tetrahydrofuran (THF) auflösen.
    4. Fügen Sie daraus resultierende 2, 2′-Bipyridine Lösung (337 µL) in die Fläschchen mit Ni(COD)2 hinzu.
    5. Verdünnen Sie die Mischung in 1 mL wasserfreies THF.
    6. Verschließe das Fläschchen und platzieren die Reaktionsmischung bei Raumtemperatur für 2 h.
      Hinweis: Ni(COD)2 ist nicht löslich in THF, während (bpy)Ni(COD) ist in THF löslich. Es darf kein Niederschlag in der violetten Lösung nach 2 h.
    7. Speichern Sie (bpy)Ni(COD) in der Tiefkühltruhe-35 ° C.
  2. Vorbereitung der Zn(HMDS)2 Lösung
    1. Fügen Sie Zn(HMDS)2 (3,3 mg, 4 µL, 8,5 µmol) zu einem Funkeln 7-mL-Fläschchen.
    2. Auflösen der Zn(HMDS)2 in 1 mL wasserfreies THF.
    3. Zn(HMDS)-2 -Lösung im Gefrierschrank-35 ° C aufbewahren.
  3. Vorbereitung der BnOH Lösung
    1. Ein Funkeln 7-mL-Fläschchen BnOH (4,0 mg, 4 µL, 37,0 µmol) hinzufügen.
    2. Lösen Sie das BnOH in 4 mL wasserfreies THF.
    3. Die BnOH Lösung im Gefrierschrank-35 ° C aufbewahren.
  4. Vorbereitung der Ir-1 Lösung
    1. Das Handschuhfach Licht auszuschalten.
      Achtung: Es ist notwendig, das Handschuhfach Licht zur Deaktivierung des Ir-1 vor der Polymerisation zu vermeiden, auszuschalten.
    2. Ein Funkeln 7-mL-Fläschchen Ir-1 (2,9 mg, 2,6 µmol) hinzufügen.
    3. Die Ir-1 in 3 mL wasserfreies THF auflösen.
    4. Die Ir-1 -Lösung im Gefrierschrank-35 ° C aufbewahren.

2. Photoredox ringöffnende Polymerisation von l-1

Hinweis: Der gesamte Prozess wird in einem Handschuhfach mit einer Kühlfalle durchgeführt. Alle OCA Monomere sind im Handschuhfach vor Gebrauch umkristallisiert. 13 hier geben wir das Beispiel der Polymerisation bei DP = 500 ([l -1] /[(bpy)Ni(COD)]/[Zn(HMDS)2] / [BnOH] / [Ir-1] = 500/1/1/1/0.1). Polymere auf verschiedenen DPs können auch vorbereitet werden, durch das Monomer Masse entsprechend anpassen.

  1. Vorbereitung der l-1-Lösung für die Polymerisation
    1. Ein Funkeln 7-mL-Fläschchen l-1 (72,2 mg, 375.7 µmol) hinzufügen.
    2. Die l-1 in 722 µL wasserfreies THF auflösen.
    3. Fügen Sie 200 µL l-1 -Lösung in einem anderen 7 mL funkeln Fläschchen mit Stir Bar ausgestattet.
    4. Fügen Sie 100 µL wasserfreies THF in das Funkeln 7-mL-Fläschchen.
    5. Verschließe das Fläschchen und legen Sie die l-1 -Lösung in der Kühlfalle.
    6. Das Handschuhfach Licht auszuschalten.
      Achtung: Es ist notwendig, das Handschuhfach Licht zur Deaktivierung des Ir-1 vor der Polymerisation zu vermeiden, auszuschalten.
  2. Abkühlung der Kühlfalle
    1. Im Inneren der Box legen Sie einen Thermometer in die Kühlfalle.
    2. Außerhalb der Box fügen Sie ca. 500 mL Ethanol in den Dewar-Kolben hinzu.
    3. Flüssigen Stickstoff in die Dewar-Flasche hinzufügen.
    4. Laden Sie die KGW Dewar Küvette, die Kühlfalle.
    5. Cool die Kühlfalle bis-50 ° C.
    6. Setzen Sie Aufsehen Platte unterhalb die Kälte trap (siehe Abbildung 1).
  3. Führen Sie die Photoredox ringöffnende Polymerisation
    Hinweis: Bevor Sie beginnen die Polymerisation, Schutzbrille Ort dieser Block blau Licht in greifbarer Nähe. Alle Katalysator-System-Lösungen sind sofort aus dem Gefrierschrank genommen und hinzugefügt sukzessive in das Funkeln 7 mL-Fläschchen mit 20 mg l-1 ohne Pause oder Unterbrechung mehr als 30 s.
    1. Fügen Sie (bpy)Ni(COD)-Lösung (16,4 µL, 0.208 µmol) in die funkeln 7-mL-Fläschchen mit l-1 (vorbereitet in 2.1).
    2. Fügen Sie Zn(HMDS)2 Lösung (24,4 µL, 0.208 µmol) in die Flasche.
    3. Fügen Sie BnOH Lösung (22,5 µL, 0.208 µmol) in die Flasche.
    4. Fügen Sie Ir-1-Lösung (24,2 µL, 0.0208 µmol) in die Flasche und verschließen Sie das Fläschchen.
    5. Tragen Sie Schutzbrillen blockieren blaues LED-Licht.
      Achtung: Als blaue LED Licht mit relativ hoher Intensität verwendet wird, während des gesamten Prozesses Schutzbrille tragen.
    6. Aktivieren Sie die blaue LED-Beleuchtung (34 W) und der Lüfter, der durch die LED erzeugt Wärme Licht. Richten Sie das Licht auf das Fläschchen in der Kühlfalle. (Abbildung 1)
    7. Der Rührer einschalten.
    8. Die Kühlfalle mit Alufolie abdecken.
    9. Halten Sie die Reaktionstemperatur auf-15 ± 5 ° C und fügen Sie Flüssigstickstoff alle 15-20 Minuten.
      Hinweis: Die Aufrechterhaltung der Reaktionstemperatur ist wichtig für die Polymerisation und MW-Steuerung.

3. Monitor die Monomer-Konvertierung durch Fourier-Transform-Infrarot-Spektren

Hinweis: Fourier-Transform-Infrarot-Spektren (FTIR) erfasst auf ein FT-IR-Spektrometer mit Diamant ATR und Übertragung Probenahme Zubehör ausgestattet.

  1. Zu bestimmten Zeitpunkten, fügen Sie eine kleine aliquoten Polymerlösung (20 µL) in ein Funkeln 7-mL-Fläschchen, und begrenzt.
  2. Entfernen Sie das Fläschchen aus dem Handschuhfach.
  3. Sofort fallen Sie die Lösung (3 µL) auf der FTIR-ATR-Diamant-Sampler. Die Lösung bildet einen Film innerhalb von 10 s für die Messung des Spektrums.
  4. Die FTIR-Spektrum der Probe zu messen.
    Hinweis: Die Monomer-Konvertierung wurden ermittelt, indem die Intensitätsverhältnis zwischen 1760 cm-1 und 1805s cm-1: Konvertierung % = I1760/ (ich1760 + I1805) (Vertreter Ergebnisse in Abbildung 2). Die Polymerisation dauert in der Regel ca. 1-8 h für DP von 200 bis 1000 (detaillierte Kinetik werden in Referenz 13besprochen).

(4) die Messung des Polymers Molekulargewicht von Gel Permeation Chromatographie

Hinweis: Gel Permeation Chromatographie (GPC) Experimente werden durchgeführt auf einem System mit einer isokratischen Pumpe mit Degasser, Angle Laserdetektor Lichtstreuung (MALS) ausgestattet (GaAs 30 mW Laser bei λ = 690 nm), und differenzielle Brechungsindex (DRI)-Detektor mit einer Lichtquelle 690 nm. Trennungen sind mit seriell angeschlossenen Größe Ausgrenzung Spalten durchgeführt (100 Å, Å, 10 5003 Å und 104 Å Spalten, 5 µm, 300 × 4,6 mm) bei 35 ° C mit THF als der mobilen Phase auf eine Durchflussmenge von 0,35 mL/min. Die Polymer Molekulargewicht (MW) und Molmassenverteilung (Ð) bestimmt, dass mit dem Zimm-Modell von MALS-DRI Daten passen. Das Vorhandensein von Metallkomplex in das Polymer beeinflusst nicht die GPC-Messergebnisse.

  1. Nehmen Sie eine kleine aliquoten Polymerlösung (50 µL) aus dem Handschuhfach.
  2. Fügen Sie 100 µL THF in die Flasche.
  3. Injizieren Sie die Probe in der GPC-Sampler.
  4. Analysieren Sie das Ergebnis nach Abschluss der GPC-Lauf.
    Hinweis: Sollte das Polymer Prozess mit engen Đ (Vertreter Ergebnisse in Abbildung 3). Das Polymer (20 mg) kann getrocknet und gewaschen von 1 mL Diethylether, enthält 1 % HOAc und 1 mL Methanol, die 87 % Ni und 50 % der Zn-komplexe, bestimmt durch Induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektrometrie (ICP-MS) entfernen können.

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Ergebnisse

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Die Umwandlung von OCA wird durch die Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie, überwacht, wie in Abbildung 2dargestellt. Der Peak bei 1805 cm-1 zugeordnet ist als der Anhydrid-Bindung-Strecke in der OCA; der Peak bei 1760 cm-1 entspricht die Bildung der Esterbindung im Polymer. Sobald das Monomer Peak bei 1805 cm-1 vollständig verschwindet, ist die Polymerisation beendet.

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Diskussion

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Die entscheidende Schritt im Rahmen des Protokolls ist die Erhaltung der Reaktionstemperatur auf-15 ± 5 ° C. Alle Katalysatoren Lösungen und OCA Monomere müssen in einem Handschuhfach Gefrierschrank bei-35 ° C vor der Polymerisation gespeichert werden. Die Reaktionsgefäße müssen in der Kühlfalle vorgekühlt sein. Während der Reaktion da das LED-Licht, Hitze zerstreut, ist es notwendig, die Reaktion alle 15-20 Minuten zu überwachen. Sobald die Temperatur erhöht wird, bis-10 ° C, flüssiger Stickstoff sollte hinzugefügt werd...

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Offenlegungen

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Die Autoren erklären keine konkurrierenden finanziellen Interessen. Eine vorläufige Patent (US Patent Anwendung Nr.: 62/414.016) Bezug auf die Ergebnisse, die in diesem Papier eingereicht wurde.

Danksagungen

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Diese Arbeit wurde unterstützt durch Anschubfinanzierung aus Virginia Polytechnic Institute and State University. Q.F. räumt Unterstützung von National Natural Science Foundation of China (21504047), Natural Science Foundation der Provinz Jiangsu (BK20150834), Nanjing Universität für Post und Telekommunikation wissenschaftliche Stiftung NUPTSF (NY214179).

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Ni(COD)2Strem28-0010Gelagert im Handschuhfach-Gefrierschrank.
2,2′-BipyridinStrem07-0290Gelagert im Handschuhfach Gefrierschrank.
Zn(HMDS)2N/AN/ASynthetisiert nach den beschriebenen Verfahren.25 Im Handschuhfach-Gefrierschrank aufbewahrt.
BenzylalkoholSigma-Aldrich402834Gelagert mit 4Å Molekularsieb
Ir[dF(CF3)ppy]2(dtbbpy)PF6Strem77-0425Gelagert im Handschuhfach-Gefrierschrank.
THFSigma-Aldrich34865Getrocknet durch Aluminiumoxid-Säulen und gelagert mit 4Å Molekularsieb in der dunklen Flasche im Handschuhfach.
EthanolSigma-Aldrich793175
GPC mit isokratischer PumpeAgilentAgilent 1260 Serie
Dawn Heleos II LichtstreuerWyatt
Optilab rEX Differenzieller BrechungsindexdetektorWyatt
GrößenausschlusssäulenPhenomenex
Glasszintillationsfläschchen - 7 mlVWR
FTIR SpektrometerAgilent
RührstäbchenVWR58948-091
Balance
HandschuhfachMbraunLabstar Pro

Referenzen

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Schlagwörter

Polymerisation von O Carbons ureanhydridenNi Zn Komplex KatalyseBestrahlung mit blauen LEDsNiedrigtemperatur Polymerisationberwachung mittels FDIR SpektroskopieGelpermeationschromatographieProtonen NMR Stereochemieisotaktische Poly alpha hydroxys urenkontrollierte Polyestersynthese

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