Synteza terpolimerów w łagodnych temperaturach z wykorzystaniem dynamicznych wiązań siarki w poli(S-diwinylobenzenie)
20 maja 2019
Celem tego protokołu jest zainicjowanie polimeryzacji za pomocą dynamicznych wiązań siarki w poli(S-diwinylobenzenie) w łagodnych temperaturach (90 °C) bez użycia rozpuszczalników. Terpolimery charakteryzują się GPC, DSC i 1H NMR oraz są badane pod kątem zmian rozpuszczalności.
Opracowaliśmy metodę inicjacji polimeryzacji za pomocą dynamicznych wiązań siarki w poli(siarko-diwinylobenzenie) w temperaturze 90 stopni Celsjusza bez konieczności stosowania rozpuszczalników. Jest to znacznie mniej niż w przypadku tradycyjnych metod, które wymagają temperatur powyżej 160 stopni Celsjusza. Obniżenie temperatury polimeryzacji poszerza zakres monomerów, które mogą być włączane do polisiarczków przez odwrotną wulkanizację.
Rozszerza to możliwe właściwości materiałów i możliwe zastosowania. Odwrotna wulkanizacja wytworzyła polisiarczki, które były stosowane w akumulatorach z siarczku litu, między innymi jako przezroczyste soczewki na podczerwień, jako sorbenty rtęci i oleju. Metoda ta umożliwiłaby opracowanie nowych materiałów i prawdopodobnych dodatkowych zastosowań.
Jedną z kluczowych zalet tej metody jest względna łatwość syntezy. Ten film daje możliwość pokazania, jak reakcja przebiega w czasie, a także pokazania, jak bardzo polimery mogą się różnić w zależności od zawartości siarki i stosunku obecnych monomerów. Aby przygotować poli(S-diwinylobenzen)połącz siarkę elementarną i diwinylobenzen w pożądanym stosunku wagowym w fiolce o pojemności jednego dram wyposażonej w mieszadło magnetyczne.
Umieścić fiolkę w łaźni olejowej w temperaturze 185 stopni Celsjusza na 30 minut. Po zakończeniu reakcji wyjąć fiolkę z łaźni olejowej i natychmiast zgasić, umieszczając fiolkę w ciekłym azocie. Następnie otwórz fiolkę, aby usunąć polimer i powtórz ten krok dla każdego przygotowanego polimeru.
Aby zsyntetyzować terpolimery, najpierw zmiażdż poli(S-diwinylobenzen) moździerzem i tłuczkiem w celu interakcji o większej powierzchni z monomerem 1, 4-cykloheksanodimetylem eteru diwinylu lub CDE. Następnie połącz poli(S-diwinylobenzen) i CDE w pożądanym stosunku wagowym na 600-miligramowej skali. Umieść próbkę w łaźni olejowej w temperaturze 90 stopni Celsjusza na 24 godziny.
Następnie schłodzić próbkę do temperatury pokojowej. W przypadku reakcji, które nie prowadzą do całkowitego włączenia monomeru, rozpuść rozpuszczalne części polimeru w dichlorometanie i wytrącić w zimnym metanolu. W przypadku próbek o ograniczonej rozpuszczalności należy przemyć próbki polimerów w stanie stałym zimnym metanolem w celu usunięcia wszelkich nieprzereagowanych monomerów.
Aby zsyntetyzować terpolimery za pomocą maleimidu, połącz siarkę i diwinylobenzen w stosunku wagowym 30 do 70 w pięciogramowej skali, jak opisano wcześniej. Połączyć prepolimer z maleimidem w stosunku wagowym trzy do jednego w szklanej fiolce o pojemności jednego dram wyposażonej w mieszadło magnetyczne. Rozpuścić mieszaninę w 10 miligramach na mikrolitr dimetyloformamidu.
Następnie umieść fiolkę w kąpieli olejowej w temperaturze 100 stopni Celsjusza na 24 godziny. Następnie połącz poli(S-diwinylobenzen) i żądany monomer w stosunku wagowym jeden do jednego, jak opisano wcześniej, aby przygotować różne terpolimery. Usunąć próbkę mieszaniny w różnych punktach czasowych reakcji i rozpuścić polimer w 600 mikrolitrach deuterowanego chloroformu do analizy protonowej NMR.
Aby potwierdzić, że do polimeryzacji wymagana jest siarka z polimeru, a nie siarka elementarna, należy przygotować próbki samej siarki oraz z CDE, diwinylobenzenem i eterem allilowym, jak opisano wcześniej. Analizuj polimery za pomocą protonowego NMR w deuterowanym chloroformie. Zintegruj wynikowe widma NMR protonów, aby określić zakres reakcji.
Ze względu na stosunkowo niską rozpuszczalność i wysoką polidyspersyjność większości terpolimerów, każdy polimer należy rozpuścić w dichlorometanie w wysokim stężeniu 75 miligramów na mililitr. Następnie usuń cząstki stałe z rozpuszczalnej części za pomocą filtra hydrofobowego o grubości 0,45 mikrona. Analizować próbki za pomocą chromatografii żelowej z użyciem dichlorometanu jako eluentu, dwóch kolumn MesoPore w kolejności i detektora indeksu refrakcji do analizy.
Określić średnią liczbową i średnią wagowo masę cząsteczkową na podstawie krzywej kalibracyjnej wzorców polistyrenu. Aby zbadać właściwości termiczne, napełnij aluminiowe patelnie 30 do 50 miligramami każdego polimeru, zapewniając wystarczającą próbkę, aby odpowiednio odróżnić temperaturę zeszklenia od otrzymanych termogramów. Zeskanuj próbki i uzyskaj wartości termogramu z drugiego skanowania.
W celu badań rozpuszczalności należy zważyć około 150 miligramów każdego polimeru do wstępnie zważonej fiolki i rozpuścić w dichlorometanie, aby osiągnąć stężenie 75 miligramów na mililitr. Po ośmiu godzinach usunąć rozpuszczalną część i przemyć nierozpuszczalną część dwukrotnie dichlorometanem. Pozostałą nierozpuszczalną próbkę suszyć w piecu przez 10 minut, aby usunąć pozostały rozpuszczalnik.
Po schłodzeniu fiolki do temperatury pokojowej zważyć ją i obliczyć procentową rozpuszczalność, określając różnicę w masie początkowej i końcowej. Poli(S-diwinylobenzen) zsyntetyzowano przy użyciu wysokich temperatur w celu zainicjowania rodników tworzących rozszczepienie pierścienia siarkowego, które następnie inicjują polimeryzację z diwinylobenzenem. Dynamiczne wiązania siarki w poli(S-diwinylobenzenie) można wykorzystać do zainicjowania polimeryzacji z dodatkowymi monomerami w znacznie niższych temperaturach.
Oceniono monomery monomerów winylu i allilu jednofunkcyjne i dwufunkcyjne, a wszystkie z powodzeniem polimeryzowano, co potwierdzono za pomocą NMR. Zawartość monomerów we wszystkich polimeryzacjach monitorowano w ciągu 48 godzin. Przeprowadzono reakcje kontrolne w celu określenia roli poli(S-diwinylobenzenu) w porównaniu z siarką w polimeryzacji.
Produkty badano za pomocą protonowego NMR i TLC w celu zbadania zmian w strukturze polimeru, włączenia monomeru oraz określenia, czy siarka została w pełni włączona. Przeprowadzono różne polimeryzacje w celu zbadania struktury polimerowej poli(S-diwinylobenzenu)CDE. Zarówno zwiększona zawartość siarki, jak i dodatek CDE doprowadziły do obniżenia temperatury zeszklenia.
Po początkowym spadku masy cząsteczkowej, dodanie CDE doprowadziło do ogólnego wzrostu długości łańcucha. Maksymalną rozpuszczalność osiągnięto dla poli(s-diwinylobenzenu) syntetyzowanego z 40%do 50% siarki. Dodatek CDE doprowadził do zmniejszenia rozpuszczalności polimerów.
W przypadku poli(S-diwinylobenzenu) o wysokiej zawartości siarki zaobserwowano niską rozpuszczalność, ale włączenie CDE znacznie poprawiło rozpuszczalność. Opracowanie polimeryzacji bezrozpuszczalnikowej, która zachodzi w znacznie niższych temperaturach niż wcześniej zgłaszano, poszerza zakres monomerów, które mogą być włączone do polisiarczków. Może to otworzyć drzwi do nowych zastosowań lub pozwolić na lepsze dopasowanie materiałów do pożądanej funkcji.
Podczas syntezy poli(siarki-diwinylobenzenu) wytwarza się niewielka ilość gazu: Fiolki należy napełniać tylko do połowy, aby zapobiec wzrostowi ciśnienia. Próbki należy odpowietrzyć przed wyjęciem ich z okapu, aby upewnić się, że gaz nie jest wdychany.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy protokół opisuje metodę inicjowania polimeryzacji z wykorzystaniem dynamicznych wiązań siarkowych w poli(siarka-diwinylobenzenie) w łagodnej temperaturze 90 °C bez użycia rozpuszczalników. Podejście to umożliwia włączenie szerszego zakresu monomerów do polisiarczków, rozszerzając potencjał ich zastosowań.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Chemia polimerów
- Inżynieria materiałowa
- Wulkanizacja odwrócona
Wstęp
- Tradycyjne metody polimeryzacji wymagają wysokich temperatur powyżej 160 °C.
- Niższe temperatury mogą zwiększyć stopień inkorporacji różnych monomerów.
- Polisulforki znajdują zastosowanie w bateriach i materiałach optycznych.
- Dynamiczne wiązania siarkowe stanowią nowatorskie podejście do polimeryzacji.
Cel badania
- Opracowanie bezzwiązkowej metody polimeryzacji.
- Obniżenie temperatury polimeryzacji w celu szerszego włączania monomerów.
- Zbadanie nowych materiałów i zastosowań polisiarczków.
Zastosowane Metody
- Dynamiczna polimeryzacja wiązań siarczkowych.
- Charakterystyka z wykorzystaniem GPC, DSC i 1H NMR.
- Badanie zmian rozpuszczalności.
- Analiza zastosowań w różnych dziedzinach.
Główne wyniki
- Pomyślne zainicjowanie polimeryzacji w temperaturze 90 °C.
- Charakterystyka potwierdziła właściwości terpolimerów.
- Rozszerzony zakres monomerów włączonych do polisulfidów.
- Zidentyfikowano potencjalne zastosowania w magazynowaniu energii i nauce o materiałach.
Wnioski
- Metoda ta umożliwia opracowanie nowych materiałów.
- Niższe temperatury sprzyjają szerszym możliwościom zastosowania.
- Podejście to może prowadzić do innowacyjnych zastosowań polisiarczków.
Często zadawane pytania
Znaczenie dla Przemysłu
Obniżenie temperatury polimeryzacji zwiększa kompatybilność monomerów w syntezie polisiarczków, umożliwiając szersze dostrajanie właściwości materiałów w zastosowaniach na etapie odkryć. Ta metoda bez użycia rozpuszczalnika wspiera wczesną walidację celów poprzez dostarczanie regulowanych, powtarzalnych systemów polimerowych do opracowywania testów i screeningu fenotypowego. Podejście to zmniejsza niejednoznaczność mechanistyczną w identyfikacji związków wiodących, oferując przewidywalne zależności struktura-właściwości w łagodnych warunkach.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia weryfikację hipotez terapeutycznych poprzez kontrolowane włączanie monomerów funkcjonalnych do macierzy polisiarczkowych.
- Wartość operacyjna: Zapewnia powtarzalną, bezrozpuszczalnikową syntezę rusztowań polimerowych w temperaturze 90°C, co zmniejsza ryzyko degradacji termicznej.
- Wartość prognostyczna: Zwiększa pewność w przewidywaniu właściwości materiału dzięki regulowanym profilom temperatury przejścia szklistego i rozpuszczalności.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Pozwala na otrzymanie mierzalnych, scharakteryzowanych terpolimerów o określonych rozkładach masy cząsteczkowej, co umożliwia wiarygodne badania oddziaływań związków.
- Wartość operacyjna: Umożliwia standaryzację podłoży polimerowych poprzez charakterystykę metodami GPC, DSC i 1H NMR w celu zapewnienia powtarzalności testów.
- Skalowalność: Wspiera ponowne wykorzystanie platformy dzięki spójnemu przygotowaniu terpolimerów przy różnych stosunkach siarki i monomerów.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Ciągłość translacyjna: Ułatwia przejście z etapu odkryć do walidacji przedklinicznej dzięki otrzymywaniu materiałów o konfigurowalnych właściwościach termicznych i rozpuszczalności.
- Redukcja ryzyka mechanistycznego: Pozwala na ocenę zależności struktura-funkcja w systemach opartych na polisiarczkach przed badaniami in vivo.
- Pewność prognostyczna: Wspiera decyzje dotyczące rozwoju projektu z uwzględnieniem ryzyka poprzez powtarzalną analizę termiczną i profilowanie rozpuszczalności.
Integracja rurociągów i przepływów pracy
Metoda ta integruje się z wczesnymi etapami procesów odkrywania leków, dostarczając scharakteryzowane układy polimerowe, które wspierają fazy testowania hipotez i identyfikacji wiodących związków.
- Biologia odkrywcza: Wspiera wyjaśnianie szlaków i ograniczanie ryzyka biologicznego poprzez regulowane rusztowania polisiarczkowe w badaniach nad oddziaływaniem z celem.
- Przesiewanie: Dostarcza materiały gotowe do analizy wraz z ilościowymi wynikami GPC i DSC w celu spójnego przesiewania związków.
- Analityka: Zapewnia odczyty 1H NMR, GPC i DSC, umożliwiające analizę porównawczą właściwości polimerów w różnych warunkach.
- Badania translacyjne: Łączy z pracami przedklinicznymi poprzez profilowanie rozpuszczalności i właściwości termicznych, które dostarczają informacji istotnych dla formulacji i metod dostarczania.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Tworzy odwracalną, bezzwiązkową platformę do generowania różnorodnych terpolimerów w wielu projektach B&R.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Przewidywalność zachowania materiałów, zmniejszenie niejednoznaczności mechanistycznej w projektowaniu polimerów.
- Wartość operacyjna: Standaryzacja, powtarzalność oraz praca bez użycia rozpuszczalników, co obniża ryzyko kontaminacji.
- Wartość strategiczna: Lepsze podejmowanie decyzji o kontynuacji lub przerwaniu prac (go/no-go) podczas identyfikacji wiodących kandydatów, efektywność kapitałowa dzięki zmniejszonemu nakładowi energii termicznej.
- Wpływ na portfolio: Priorytetyzacja kandydatów polimerowych z uwzględnieniem ryzyka, oparta na określonych progach termicznych i rozpuszczalności.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymaga wiedzy specjalistycznej w zakresie syntezy i technik charakteryzacji polimerów, w tym GPC, DSC oraz NMR.
- Wymaga kontroli temperatury kąpieli olejowej, pracy w warunkach obojętnych dla związków siarki oraz systemów filtracyjnych do analizy polimerów rozpuszczalnych.
- Wymaga standaryzacji stosunków monomerów i czasów reakcji pomiędzy laboratoriami w celu otrzymania powtarzalnych terpolimerów.
- Wymaga protokołów adaptacyjnych dla różnych rozpuszczalności i polarności monomerów w warunkach bezrozpuszczalnikowych.
- Ograniczone koniecznością przeprowadzenia etapów oczyszczania po reakcji, takich jak filtracja i wytrącanie w przypadku terpolimerów o niskiej rozpuszczalności.
Najczęściej zadawane pytania dotyczące biofarmacji
Chapters in this video
0:04
Title
1:06
Synthesis of Poly(S-divinylbenzene)
1:53
Preparation of Terpolymers
4:11
Control Polymerizations, Polymer Characterization, and Solubility Studies
6:41
Results: Polysulfide Initiated Polymerization and Characterization of Terpolymers
8:32
Conclusion
