Een protocol voor de gecontroleerde photoredox ring-opening polymerisatie van O- carboxyanhydrides gemedieerd door Ni/Zn complexen wordt gepresenteerd.
Methodenartikel
Een protocol voor de gecontroleerde photoredox ring-opening polymerisatie van O- carboxyanhydrides gemedieerd door Ni/Zn complexen wordt gepresenteerd.
Hier beschrijven we een effectieve protocol dat photoredox Ni/Ir katalyse met het gebruik van een Zn-alkoxide voor efficiënte ring-opening polymerisatie, waardoor voor de synthese van isotactic poly (α-hydroxy zuren) combineert met verwachte molecuulgewicht (> 140 kDa) en smalle molecuulgewicht distributies (Mw/Mn < 1.1). De polymerisatie van deze ring-opening is bemiddeld door Ni en Zn complexen in aanwezigheid van een alcohol-initiator en een photoredox Ir katalysator, bestraald door een blauwe LED (400-500 nm). De polymerisatie gebeurt op een lage temperatuur (-15 ° C) om te voorkomen dat ongewenste kant reacties. De volledige monomeer consumptie kan worden bereikt binnen 4-8 uur, een polymeer dicht bij de verwachte molecuulgewicht voorzien van smalle molecuulgewichtsverdeling. Het resulteerde aantalgemiddeld molecuulgewicht toont een lineaire correlatie met de mate van polymerisatie tot 1000. De homodecoupling 1H NMR studie bevestigt dat het verkregen polymeer isotactic zonder epimerization. Deze polymerisatie gemeld hierin biedt een strategie voor de verwezenlijking van snelle, gecontroleerde O- carboxyanhydrides polymerisatie ter voorbereiding stereoregular poly (α-hydroxy zuren) en zijn voorzien van verschillende functionele groepen van de zijketen copolymeren.
Poly (α-hydroxy zuur) (PAHA) is een belangrijke klasse van biologisch afbreekbaar en biocompatibel polymeren met toepassingen variërend van biomedische apparaten voor verpakkingsmateriaal. 1 , 2 hoewel PAHAs kan worden bereid rechtstreeks door polycondensatie van α-hydroxy zuren, het molecuulgewicht (MWs) van de resulterende PAHAs zijn over het algemeen laag. 3 ring-opening polymerisatie (ROP) van lactonen (b.v., lactide en glycolide) is een alternatieve synthetische benadering waarmee de betere controle op MWs en molecuulgewichtsverdeling (Đ) dan polycondensatie. Echter het gebrek aan zijketen functionaliteit in PAHAs en lactonen beperken de diversiteit van de fysische en chemische eigenschappen en hun toepassingen. 4 , 5 sinds 2006, 1,3-dioxolane-2,4-diones, zogenaamde O- carboxyanhydrides (OCAs), dat kan worden voorbereid met een rijke verscheidenheid aan zijketen functionaliteiten,6,7,8, 9 , 10 , 11 , 12 , 13 opgedoken als een alternatief klasse voor zeer actieve monomeren voor polyester polymerisatie. 14 , 15
Katalytische systemen voor de ROP van OCAs kunnen worden onderverdeeld in zijn,8,12,16,17 anorganische katalysatoren12,18,19 ,20,21 en biokatalysatoren. 22 in het algemeen de ROP van OCAs bevorderd door organocatalyst overgaat in een min of meer ongecontroleerde wijze, zoals epimerization (dat wil zeggen, gebrek aan stereoregularity) voor OCAs rekening houdend met elektron-intrekking groepen,8,17 onvoorspelbare MWs of langzame polymerisatie kinetiek. 13 om aan deze problemen, een actieve Zn-alkoxide complex werd ontwikkeld voor de ROP van OCAs. 12 well-controlled ROPs werden bereikt bij een lage graad van polymerisatie (DP) zonder epimerization. Echter kan niet, deze Zn-alkoxide katalysator efficiënt geproduceerd polymeren met een hoog beschermingsniveau van de polymerisatie (DP ≥ 300). 13
Onlangs hebben we een veelbelovende aanpak die sterk aanpassingsmogelijkheden en de efficiëntie van PAHA synthese (Figuur 1 verbetert) gemeld. 13 we samenvoegen photoredox Ni/Ir katalysatoren die OCA decarboxylering met zink alkoxide te bemiddelen ring-opening polymerisatie van OCAs bevorderen. Het gebruik van lage temperatuur (-15 ° C) en photoredox Ni/Ir katalyse versnelt synergetisch ring-opening en decarboxylatie van OCA voor propagatie terwijl het vermijden van ongewenste kant reacties, bijvoorbeeld de vorming van Ni-carbonyl. 23 , 24 de actieve Zn-alkoxide is op transmetalering met Ni complex gelegen aan keten eindpunt voor propagatie. 13
In dit protocol, voegen we vers bereid (bpy)Ni(COD) (bpy = 2, 2'-bipyridyl, COD = 1,5-cyclooctadieen), Zn(HMDS)2 (HMDS = hexamethyldisilazane),25 benzylalcohol (BnOH) en Ir [dF (CF3) ppy]2(dtbbpy) PF6 () Ir-1, dF (CF3) ppy = 2-(2,4-difluorophenyl) -5-(Trifluormethyl) pyridine, dtbbpy = 4, 4' - di -tert- butyl-2, 2'-bipyridine) in het monomeer l-1 oplossing26 in een doos van de handschoen met een koude val, in de aanwezigheid van een blauw LED-licht (400-500 nm) en een ventilator om temperatuur (Figuur 1) te houden. De temperatuur op-15 ° C ± 5 ° C gedurende de polymerisatie. De conversie van OCA wordt gecontroleerd door Fourier-transform infrarood spectroscopie. Het resulterende polymeer MWs en Đs wordt gekenmerkt door een gelpermeatiechromatografie (GPC). De homodecoupling 1H NMR onderzoek bepaalt of de verkregen polymeer isotactic of niet is. Zoals de meeste chemicaliën zijn zeer gevoelig voor vocht, is de gedetailleerde video protocol bedoeld om te helpen nieuwe beoefenaars die zijn gekoppeld aan de photoredox ROP van OCAs valkuilen te vermijden.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Let op: Raadpleeg alle relevante materialen veiligheidsinformatiebladen (MSDS) vóór gebruik. Veel chemicaliën die worden gebruikt in de synthese zijn acuut toxisch en kankerverwekkend. Gebruik alle passende veiligheidspraktijken bij het uitvoeren van de reactie met inbegrip van het gebruik van technische controles (zuurkast en ' glovebox ') en persoonlijke beschermingsmiddelen (veiligheidsbril, handschoenen, laboratoriumjas, full-length broek, gesloten-teen schoenen, blauw-licht blokkeren van veiligheid bril). Volgende procedures betrekken standaard lucht-gratis behandeling technieken in een handschoenenkastje. Alle oplossingen worden overgebracht met behulp van de pipet.
1. bereiding van de katalysator en Initiator
Opmerking: Het hele proces wordt uitgevoerd in een handschoenenkastje met een koude val. Alle chemische stoffen zijn gedroogd of gezuiverd alvorens in het vak. 13 alle flesjes en glaswerk zijn gedroogd en verhit in de oven alvorens in het vak.
2. Photoredox ring-opening polymerisatie van l-1
Opmerking: Het hele proces wordt uitgevoerd in een handschoenenkastje met een koude val. Alle OCA monomeren zijn recrystallized in het handschoenenkastje vóór gebruik. 13 hier geven we het voorbeeld van de polymerisatie op DP = 500 ([l -1] /[(bpy)Ni(COD)]/[Zn(HMDS)2] / [BnOH] / [Ir-1] = 500/1/1/1/0.1). Polymeren op verschillende DPs kunnen ook bereid worden door het monomeer massa dienovereenkomstig aan te passen.
3. toezicht op de monomeer-conversie door Fourier-transform infrarood spectra
Opmerking: Fourier-transform infrarood spectra (FTIR) wordt opgeslagen op een FT-IR-spectrometer uitgerust met Diamond ATR en transmissie bemonstering accessoire.
4. de meting van het molecuulgewicht van het polymeer door gel-Permeatie Chromatografie
Opmerking: Gel-Permeatie Chromatografie (GPC) experimenten worden uitgevoerd op een systeem dat is uitgerust met een isocratic pump met degasser, multi-angle laser lichtverstrooiing (MALS) detector (GaAs 30 mW laser op λ = 690 nm), en differentiële brekingsindex (DRI) detector met een lichtbron van 690-nm. Kleurscheidingen worden uitgevoerd met behulp van serieel verbonden grootte uitsluiting kolommen (100 Å, 500 Å, 103 Å en 104 Å kolommen, 5 µm, 300 × 4.6 mm) bij 35 ° C met behulp van THF als de mobiele fase op een debiet van 0.35 mL/min. De polymeer molecuulgewicht (MW) en de molecuulgewichtsverdeling (Ð) worden bepaald met behulp van het model Zimm pasvorm van MALS-DRI gegevens. De aanwezigheid van metalen complex in het polymeer doet geen afbreuk aan de meetresultaten van de GPC.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De conversie van OCA wordt gecontroleerd door Fourier-transform infrarood spectroscopie, zoals weergegeven in Figuur 2. De piek op 1805 cm-1 is toegewezen als het stuk band anhydride in OCA; de piek op 1760 cm-1 komt overeen met de vorming van de ester-binding in het polymeer. Zodra de het monomeer piek bij 1805 cm-1 volledig verdwijnt, is de polymerisatie voltooid.
...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De kritieke stap in het protocol is de maximumtemperatuur reactie bij-15 ± 5 ° C. Alle oplossingen van katalysatoren en OCA monomeren moeten worden opgeslagen in een vriezer handschoenenkastje bij-35 ° C voordat de polymerisatie. De reactie flesjes moeten vooraf gekoeld in de koude val. Tijdens de reactie, omdat de LED-licht verdrijft de warmte, is het noodzakelijk om te controleren de reactie om de 15-20 minuten. Zodra de temperatuur wordt verhoogd van tot-10 ° C, vloeibare stikstof moet worden toegevoegd in de dewar af...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De auteurs verklaren geen concurrerende financiële belangen. Een voorlopige patent (US Patent Application nr: 62/414,016) heeft ingediend met betrekking tot de resultaten gepresenteerd in dit document.
Dit werk werd gesteund door de start-up financiering uit Virginia Polytechnic Institute and State University. Q.F. erkent steun uit nationale Natural Science Foundation van China (21504047), Natural Science Foundation van de oostelijke provincie Jiangsu (BK20150834), Nanjing universiteit van posterijen en telecommunicatie wetenschappelijke Stichting NUPTSF (NY214179).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Ni(COD)2 | Strem | 28-0010 | Opgeslagen in de handschoenenkast vriezer. |
| 2,2′-bipyridine | Strem | 07-0290 | Opgeslagen in de handschoenenkast vriezer. |
| Zn(HMDS)2 | N/A | N/A | Gesynthetiseerd volgens gerapporteerde procedures.25 Opgeslagen in de handschoenenkast vriezer. |
| Benzyl alcohol | Sigma-Aldrich | 402834 | Opgeslagen met 4Å moleculaire zeef |
| Ir[dF(CF3)ppy]2(dtbbpy)PF6 | Strem | 77-0425 | Opgeslagen in de handschoenenkast vriezer. |
| THF | Sigma-Aldrich | 34865 | Gedroogd door alumina kolommen en opgeslagen met 4Å moleculaire zeef in de donkere fles in de handschoenenkast. |
| Ethanol | Sigma-Aldrich | 793175 | |
| GPC met een isocratische pomp | Agilent | Agilent 1260 serie | |
| Dawn Heleos II Lichtverstrooier | Wyatt | ||
| Optilab rEX differentiële brekingsindex detector | Wyatt | ||
| Size exclusion kolommen | Phenomenex | ||
| Glas Scintillatie Vials - 7 ml | VWR | ||
| FTIR spectrometer | Agilent | ||
| Roerstaven | VWR | 58948-091 | |
| Weegschaal | |||
| Handschoenenkast | Mbraun | Labstar Pro |
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken
Toestemming aanvragen