Przedstawiono protokół kontrolowanej polimeryzacji O-karboksyjanowodników z otwartym pierścieniem fotoredoks, w której pośredniczą kompleksy Ni/Zn.
Artykuł metodologiczny
Przedstawiono protokół kontrolowanej polimeryzacji O-karboksyjanowodników z otwartym pierścieniem fotoredoks, w której pośredniczą kompleksy Ni/Zn.
Tutaj opisujemy skuteczny protokół, który łączy fotoredoksyjną katalizę Ni/Ir z użyciem Zn-alkoxide do efektywnej polimeryzacji z otwarciem pierścienia, pozwalając na syntezę izotaktycznych poli(α-hydroksykwasów) o oczekiwanej masie cząsteczkowej (>140 kDa) i wąskim rozkładzie masy cząsteczkowej (>Mw/Mn < 1.1). W tej polimeryzacji z otwarciem pierścienia pośredniczą kompleksy Ni i Zn w obecności inicjatora alkoholowego i katalizatora fotoredoks IR, naświetlanego niebieską diodą LED (400 - 500 nm). Polimeryzacja odbywa się w niskiej temperaturze (-15 °C), aby uniknąć niepożądanych reakcji ubocznych. Całkowite zużycie monomeru można osiągnąć w ciągu 4 - 8 godzin, zapewniając polimer o masie cząsteczkowej zbliżonej do oczekiwanej przy wąskim rozkładzie masy cząsteczkowej. Uzyskana liczbowo-średnia masa cząsteczkowa wykazuje liniową korelację ze stopniem polimeryzacji do 1000. Badanie homodecoupling 1H NMR potwierdza, że otrzymany polimer jest izotaktyczny bez epimeryzacji. Ta polimeryzacja opisana w niniejszym dokumencie oferuje strategię osiągania szybkiej, kontrolowanej polimeryzacji O-karboksyjanowodników w celu przygotowania stereoregularnych poli(α-hydroksykwasów) i jego kopolimerów zawierających różne funkcjonalne grupy łańcuchów bocznych.
Poli(α-hydroksykwas) (PAHA) to ważna klasa biodegradowalnych i biokompatybilnych polimerów o zastosowaniach od urządzeń biomedycznych po materiały opakowaniowe. 1,2 Chociaż WWA mogą być wytwarzane bezpośrednio przez polikondensację α-hydroksykwasów, masy cząsteczkowe (MW) powstałych WWA są na ogół niskie. 3 Polimeryzacja z otwarciem pierścienia (ROP) laktonów (np. laktydu i glikolidu) jest alternatywnym podejściem do syntezy, które zapewnia lepszą kontrolę nad MW i rozkładem masy cząsteczkowej (Đ) niż polikondensacja. Jednak brak funkcjonalności łańcucha bocznego w WWA i laktonach ogranicza różnorodność właściwości fizycznych i chemicznych oraz ich zastosowań. 4,5 Od 2006 roku 1,3-dioksolan-2,4-diony, tak zwane O-karboksyjanowodorki (OCA), które mogą być przygotowywane z bogatą gamą funkcji łańcucha bocznego,6,7,8,9,10,11,12,13 pojawiły się jako alternatywna klasa wysoce aktywnych monomerów do polimeryzacji poliestrowej. 14,15
Systemy katalityczne dla ROP OCA można podzielić na organokatalizatory,8,12,16,17 katalizatory metaloorganiczne12,18,19,20,21 i biokatalizatory. 22 Generalnie, ROP OCA promowanych przez organokatalizator przebiega w mniej lub bardziej niekontrolowany sposób, jak epimeryzacja (tj. brak stereoregularności) dla OCA zawierających grupy wycofujące elektrony,8,17 nieprzewidywalne MW lub powolna kinetyka polimeryzacji. 13 Aby rozwiązać te problemy, opracowano aktywny kompleks Zn-alkoxide dla ROP OCA. 12 Dobrze kontrolowane ROP zostały osiągnięte przy niskim stopniu polimeryzacji (DP) bez epimeryzacji. Jednak ten katalizator Zn-alkoxide nie jest w stanie wydajnie wytwarzać polimerów o wysokim stopniu polimeryzacji (DP ≥ 300). 13
Niedawno opisaliśmy obiecujące podejście, które znacznie poprawia możliwości personalizacji i wydajność syntezy PAHA (Rysunek 1). 13 Łączymy fotoredoks katalizatory Ni/Ir, które promują dekarboksylację OCA, z alkoholiankiem, aby pośredniczyć w polimeryzacji OCA z otwarciem pierścienia. Zastosowanie katalizy niskotemperaturowej (-15 °C) i fotoredoks Ni/Ir synergistycznie przyspiesza otwieranie pierścieni i dekarboksylację OCA do propagacji łańcuchów, unikając jednocześnie niepożądanych reakcji ubocznych, np. tworzenia się Ni-karbonylu. 23,24 Po transmetalizacji kompleksem Ni, aktywny alkoxide Zn znajduje się na końcu łańcucha w celu propagacji łańcucha. 13
W tym protokole dodajemy świeżo przygotowany (bpy)Ni(COD) (bpy = 2,2'-bipirydyl, ChZT = 1,5-cyklooktadylen), Zn(HMDS)2 (HMDS = heksametylodilazan),25 alkohol benzylowy (BnOH) i Ir[dF(CF3)ppy]2(dtbbpy)PF6 (Ir-1, dF(CF3)ppy = 2-(2,4-difluorofenylo)-5-(trifluorometylo)pirydyna, dtbbpy = 4,4'-di-tert-butyl-2,2'-bipirydyna) do monomeru l- 1 rozwiązanie26 w schowku na rękawiczki z wymrażarką, w obecności niebieskiego światła LED (400-500 nm) i wentylatora do utrzymywania temperatury (Rysunek 1). Podczas polimeryzacji temperatura jest utrzymywana na poziomie -15 °C ± 5 °C. Konwersja OCA jest monitorowana za pomocą spektroskopii w podczerwieni z transformacją Fouriera. Otrzymany polimer MW i Đs charakteryzuje się chromatografią żelowo-permeacyjną (GPC). Badanie homodecoupling 1H NMR określa, czy otrzymany polimer jest izotaktyczny, czy nie. Ponieważ większość substancji chemicznych jest bardzo wrażliwa na wilgoć, szczegółowy protokół wideo ma na celu pomóc nowym praktykom uniknąć pułapek związanych z fotoredoks ROP OCA.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Uwaga: Proszę zapoznać się ze wszystkimi odpowiednimi kartami charakterystyki substancji niebezpiecznych (MSDS) przed użyciem. Wiele substancji chemicznych stosowanych w syntezie jest silnie toksycznych i rakotwórczych. Podczas przeprowadzania reakcji należy stosować wszystkie odpowiednie praktyki bezpieczeństwa, w tym stosowanie technicznych środków kontroli (dygestorium i komora podręczna) oraz środków ochrony osobistej (okulary ochronne, rękawice, fartuch laboratoryjny, długie spodnie, buty z zakrytymi palcami, okulary ochronne blokujące niebieskie światło). Poniższe procedury obejmują standardowe techniki obsługi bez użycia powietrza w komorze rękawicowej. Wszystkie roztwory są przenoszone za pomocą pipety.
1. Przygotowanie katalizatora i inicjatora
UWAGA: Cały proces odbywa się w komorze rękawicowej z zimną wymrażarką. Wszystkie chemikalia są suszone lub oczyszczane przed umieszczeniem w pudełku. 13 Wszystkie fiolki i szklane naczynia są suszone i podgrzewane w piekarniku przed włożeniem do pudełka.
2. Fotoredoksyjna polimeryzacja l-1 z otwarciem pierścienia
UWAGA: Cały proces odbywa się w komorze rękawicowej z zimną wymrażarką. Wszystkie monomery OCA są rekrystalizowane w schowku rękawicowym przed użyciem. 13 Tutaj podajemy przykład polimeryzacji przy DP=500 ([l -1]/[(bpy)Ni(COD)]/[Zn(HMDS)2]/[BnOH]/[Ir-1] = 500/1/1/1/0.1). Polimery o różnych DP można również wytworzyć, odpowiednio dostosowując masę monomeru.
3. Monitoruj konwersję monomeru za pomocą widm podczerwieni z transformacją Fouriera
UWAGA: Widma podczerwone z transformacją Fouriera (FTIR) są rejestrowane na spektrometrze FT-IR wyposażonym w diamentowy ATR i akcesorium do próbkowania transmisyjnego.
4. Pomiar masy cząsteczkowej polimeru metodą chromatografii żelowo-permeacyjnej
UWAGA: Eksperymenty z chromatografią żelowo-permeacyjną (GPC) są przeprowadzane na systemie wyposażonym w pompę izokratyczną z odgazowywaczem, detektor wielokątowego rozpraszania światła laserowego (MALS) (laser GaAs 30 mW przy λ = 690 nm) oraz detektor różnicowego indeksu refrakcji (DRI) ze źródłem światła 690 nm. Separacje przeprowadza się za pomocą szeregowo połączonych kolumn wykluczających rozmiar (100 A, 500 A, 103 A i 10kolumn 4 A, 5 μm, 300 × 4,6 mm) w temperaturze 35 °C przy użyciu THF jako fazy ruchomej przy natężeniu przepływu 0,35 ml/min. Masę cząsteczkową polimeru (MW) i rozkład masy cząsteczkowej (Ð) określa się za pomocą dopasowania modelu Zimm na podstawie danych MALS-DRI. Obecność kompleksu metali w polimerze nie ma wpływu na wyniki pomiarów GPC.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Konwersja OCA jest monitorowana za pomocą spektroskopii podczerwieni z transformacją Fouriera, jak pokazano na Rysunek 2. Szczyt na wysokości 1805 cm-1 jest przypisany jako rozciągnięcie wiązania bezwodnika w OCA; Pik na 1760 cm-1 odpowiada tworzeniu się wiązania estrowego w polimerze. Gdy pik monomeru na wysokości 1805 cm-1 całkowicie zniknie, polimeryzacja jest zakończona.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Krytycznym etapem w ramach protokołu jest utrzymanie temperatury reakcji na poziomie -15 ± 5 °C. Wszystkie roztwory katalizatorów i monomery OCA muszą być przechowywane w zamrażarce w temperaturze -35 °C przed polimeryzacją. Fiolki reakcyjne muszą być wstępnie schłodzone w wymrażarce. Podczas reakcji, ponieważ światło LED rozprasza ciepło, konieczne jest monitorowanie reakcji co 15 - 20 minut. Po podniesieniu temperatury do -10 °C należy dodać ciekły azot do dewara, aby schłodzić pułapkę. Przyczyną niskiej temperatury je...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy deklarują brak sprzecznych interesów finansowych. Tymczasowy patent (U.S. Patent Application No: 62/414,016) został złożony w odniesieniu do wyników przedstawionych w tym artykule.
Ta praca została wsparta przez fundusze start-upów z Virginia Polytechnic Institute i State University. Q.F. dziękuje za wsparcie od National Natural Science Foundation of China (21504047), Natural Science Foundation of Jiangsu (BK20150834), Nanjing University of Posts oraz Telecommunications Scientific Foundation NUPTSF (NY214179).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Ni(COD)2 | Strem | 28-0010 | Przechowywany w zamrażarce w schowku na rękawiczki. |
| 2,2′-bipirydyna | Strem | 07-0290 | Przechowywany w zamrażarce w schowku na rękawiczki. |
| Zn(HMDS)2 | N/A | N/A | Zsyntetyzowane zgodnie z raportowanymi procedurami.25 Przechowywane w zamrażarce w schowku na rękawiczki. |
| Alkohol benzylowy | Sigma-Aldrich | 402834 | Przechowywany z 4Å sitem molekularnym |
| Ir[dF(CF3)ppy]2(dtbbpy)PF6 | Strem | 77-0425 | Przechowywany w zamrażarce w komorze rękawicowej. |
| THF | Sigma-Aldrich | 34865 | Suszony przez kolumny z tlenku glinu i przechowywany z sitem molekularnym 4Å w ciemnej butelce w schowku na rękawiczki. |
| Etanol | Sigma-Aldrich | 793175 | |
| GPC z pompą izokratyczną | Agilent | Agilent 1260 series | |
| Dawn Heleos II Rozpraszacz światła | Wyatt | ||
| Optilab rEX Różnicowy detektor indeksu refrakcji | |||
| Phenomenex | |||
| Szklane fiolki scyntylacyjne - 7 ml | VWR | ||
| Agilent | |||
| Mieszadła | VWR | 58948-091 | |
| Schowek na rękawiczki | |||
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie