Методическая статья

Под контролем Photoredox кольцо открытие полимеризации O- Carboxyanhydrides при посредничестве Ni/Zn комплексы

7.5K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/56654

⸱

21 ноября 2017 г.

 , 
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

В этой статье

Краткое содержание

Протокол для полимеризации контролируемых photoredox кольцо открытие O- carboxyanhydrides при посредничестве Ni/Zn комплексы представлены.

Аннотация

Здесь мы описываем эффективного протокола, который сочетает в себе photoredox Ni/Ir катализа с использованием Zn алкоголяты для эффективного кольцо открытие полимеризации, позволяя для синтеза изотактические поли (α-гидрокси кислоты) с ожидаемой молекулярной массой (> 140 кДа) и узкой молекулярный вес дистрибутивов (Mw/Mn < 1.1). Это кольцо открытие полимеризации при посредничестве Zn и Ni комплексов в присутствии инициатора алкоголя и photoredox катализатор ИК, облученных голубой светодиод (400-500 Нм). Полимеризации производится при низкой температуре (-15 ° C), чтобы избежать нежелательных побочных реакций. Полный мономера потребления может быть достигнуто в течение 4-8 часов, предоставляя полимер недалеко от ожидаемого молекулярный вес узкое распределение молекулярного веса. Привело номер Средний молекулярный вес показывает линейной корреляции со степенью полимеризации до 1000. Homodecoupling 1H ЯМР исследование подтверждает, что полученный полимер изотактические без амидов. Этот полимеризации, сообщили здесь предлагает стратегию для достижения быстрого, контролируемых O- carboxyanhydrides полимеризации подготовить стереорегулярного поли (α-гидрокси кислоты) и его сополимеры, с учетом различных функциональных групп в боковой цепи.

Введение

Поли (α-гидрокси кислоты) (ЛПВС) является важным классом биоразлагаемых и биосовместимых полимеров с приложениями, начиная от Биомедицинские приборы для упаковочных материалов. 1 , 2 хотя PAHAs может быть подготовлен непосредственно поликонденсации α-гидрокси кислот, молекулярного веса (MWs) результирующий PAHAs как правило, низкими. 3 кольцо открытие полимеризации (ROP) лактонов (например, лактида и гликолидных) является альтернативный синтетический подход, который обеспечивает лучший контроль на MWs и распределение молекулярного веса (Đ) чем поликонденсации. Однако отсутствие функциональности боковой цепи в PAHAs и в лактоны ограничивать разнообразие физических и химических свойств и их применения. 4 , 5 . Начиная с 2006 года 1,3-Диоксолан-2,4-дионов, так называемые O- carboxyanhydrides (ОЦАГ), который может быть подготовлен с богатым разнообразием функций боковой цепи,6,,78, 9 , 10 , 11 , 12 , 13 появились как альтернативный класс высокоактивный мономеров для полиэфирных полимеризации. 14 , 15

Каталитических систем для РОП OCAs можно подразделить на organocatalysts,8,12,,1617 металлоорганических катализаторов12,18,19 ,20,21 и биокатализаторов. 22 в целом, ROP ОЦАГ, способствовать organocatalyst продолжается более или менее неконтролируемым образом, например амидов (т.е. отсутствие stereoregularity) для OCAs подшипник электрон снятия групп,8,17 непредсказуемым MWs, или медленно полимеризации кинетики. 13 для решения этих проблем, активный комплекс Zn алкоголяты был разработан для РОП OCAs. 12 well-controlled ROPs были достигнуты в малой степени полимеризации (DP) без амидов. Однако это катализатор Zn алкоголяты не может эффективно производить полимеров с высокой степенью полимеризации (DP ≥ 300). 13

Недавно мы сообщили перспективный подход, который значительно улучшает Настраиваемость и эффективность синтеза ЛПВС (рис. 1). 13 мы объединить photoredox Ni/Ir катализаторов, способствующих OCA декарбоксилирования с цинка алкоголяты посредничать кольцо открытие полимеризации OCAs. Использование низкой температуре (-15 ° C) и photoredox катализ Ni/Ir синергетически ускоряет кольцо открытие и декарбоксилирования OCA для цепи распространения избегая нежелательных побочных реакций, например, формирование Ni карбонильных. 23 , 24 по transmetalation с Ni комплекс активных Zn алкоголяты расположен в отеле terminus цепи для цепи распространения. 13

Мы добавляем в этот протокол, свежий подготовленный (bpy)Ni(COD) (bpy = 2, 2'-bipyridyl, COD = 1,5-cyclooctadiene), Zn(HMDS)2 (ГМДО = Гексаметилдисилазан),25 бензилового спирта (BnOH) и ИК [dF (3CF) ppy]2(dtbbpy) PF (6 Ir-1, dF (CF3) ppy = 2-(2,4-difluorophenyl) -5-пиридина (trifluoromethyl), dtbbpy = 4, 4' - ди -трет- бутил-2, 2'-бипиридин) на мономера l-1 решение26 в бардачок с холодную ловушку, в присутствии синий светодиодный свет (400-500 Нм) и вентилятор для поддержания температуры (рис. 1). Температура держится в-15 ° C ± 5 ° C во время полимеризации. Преобразование OCA контролируется Фурье ИК-спектроскопии. Результирующая полимер MWs и Đs характеризуется гель пропитывание хроматографии (ГКТ). Homodecoupling 1H ЯМР исследование определяет, является ли полученный полимер изотактические или нет. Поскольку большинство химических веществ крайне чувствительны к влаге, подробные видео-протокол предназначен для новых практикующих избегать ловушек, связанных с photoredox ROP OCAs.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

Предупреждение: Проконсультируйтесь листы данных безопасности всех соответствующих материалов (MSDS) перед использованием. Многие химические вещества, используемые в синтезе остро токсичными и канцерогенными. Пожалуйста, используйте все практики безопасности при выполнении реакции, включая использование инженерного управления (зонта и бардачком) и средств индивидуальной защиты (очки, перчатки, лаборатории пальто, полнометражные брюки, закрыты носок обуви, синий свет Блокировка безопасности очки). Следующие процедуры включают стандартные обработки воздуха бесплатные методы в перчаточном ящике. Все решения передаются с помощью пипетки.

1. Подготовка инициатора и катализатора

Примечание: Весь процесс проводится в перчаточном ящике с холодную ловушку. Все химические вещества являются сушеные или очищается до переезда в коробку. 13 все флаконы и посуда сушат и нагревают в печи до переезда в коробку.

  1. Подготовка раствора (bpy)Ni(COD)
    Примечание: (bpy)Ni(COD) должно быть свежеприготовленный в situ. Он должен храниться в морозильной камере бардачок (от-35 ° C) и используется в течение одной недели. Все другие катализаторы и инициатором решения могут храниться в морозильнике бардачок более 1 месяца.
    1. Вес Ni(COD)2 (3,5 мг, 12,7 мкмоль, 1.0 eq) в сцинтилляционные 7-мл флаконе.
    2. Весят 2, 2 ' бипиридин (5,9 мг, 37,8 мкмоль) в сцинтилляционные 7-мл флаконе.
    3. Растворите 2, 2 ' бипиридин в 1 мл безводного тетрагидрофуран (THF).
    4. Добавьте результирующий 2, 2 ' бипиридин решение (337 мкл) в пробирку, содержащую Ni(COD)2.
    5. Разбавьте смесь в 1 мл безводного ТГФ.
    6. Колпачок флакона и место реакционной смеси при комнатной температуре в течение 2 ч.
      Примечание: Ni(COD)2 не растворим в THF, тогда как (bpy)Ni(COD) растворяется в ТГФ. Там должно быть без осадков в фиолетовый раствор после 2 ч.
    7. Магазин (bpy)Ni(COD) в морозильной камере-35 ° C.
  2. Приготовление раствора2 Zn(HMDS)
    1. Добавьте Zn(HMDS)2 (3,3 мг, 4 мкл, 8,5 мкмоль) сцинтилляционные 7-мл флаконе.
    2. Растворите в Zn(HMDS)2 в 1 мл безводного ТГФ.
    3. Храните в морозильной камере-35 ° C Zn(HMDS)2 решения.
  3. Приготовление раствора BnOH
    1. Добавьте BnOH (4,0 мг, 4 мкл, 37.0 мкмоль) сцинтилляционные 7-мл флаконе.
    2. Растворяют BnOH в 4 мл безводного ТГФ.
    3. BnOH раствор Храните в морозильной камере-35 ° C.
  4. Приготовление раствора Ir-1
    1. Выключите свет перчаточный ящик.
      Предупреждение: Это необходимо выключить свет бардачок избежать отключения Ir-1 до полимеризации.
    2. Добавьте Ir-1 (2,9 мг, 2,6 мкмоль) к сцинтилляционным 7-мл флаконе.
    3. Растворяют в 3 мл безводного ТГФ Ir-1 .
    4. Ir-1 решение Храните в морозильной камере-35 ° C.

2. Photoredox кольцо открытие полимеризации l-1

Примечание: Весь процесс проводится в перчаточном ящике с холодную ловушку. Все OCA мономеров являются порошкообразные в перчаточном ящике перед использованием. 13 здесь мы приведем пример полимеризации на DP = 500 ([l -1] /[(bpy)Ni(COD)]/[Zn(HMDS)2] / [BnOH] / [Ir-1] = 500/1/1/1/0.1). Полимеров в разных DPs можно также подготовил, регулируя мономер массы соответственно.

  1. Подготовка l-1 решения для полимеризации
    1. L-1 (72,2 мг, 375.7 мкмоль) добавьте к сцинтилляционным 7-мл флаконе.
    2. Растворите l-1 в 722 мкл безводного ТГФ.
    3. Добавьте 200 мкл раствора-1 l в другой сцинтилляционные 7-мл флаконе с баром перемешать.
    4. Добавьте 100 мкл безводного ТГФ в сцинтилляционные 7-мл флаконе.
    5. Колпачок флакона и l-1 решение в холодную ловушку.
    6. Выключите свет перчаточный ящик.
      Предупреждение: Это необходимо выключить свет бардачок избежать отключения Ir-1 до полимеризации.
  2. Охлаждать вниз холодную ловушку
    1. Внутри коробки поместите термометр в холодную ловушку.
    2. Вне коробки добавьте ОК. 500 мл этанола в Дьюара.
    3. Добавьте в Дьюара жидким азотом.
    4. Загрузите KGW Дьюара в холодную ловушку.
    5. Прохладный холодную ловушку до-50 ° C.
    6. Положите Переполох пластины под холодную ловушку (см. Рисунок 1).
  3. Выполнить photoredox кольцо открытие полимеризации
    Примечание: Перед началом полимеризации, место защитные очки блок синий свет в пределах досягаемости. Все катализатора системные решения немедленно вынимают из морозильника и последовательно добавлены в сцинтилляционные 7-мл флакон, содержащий 20 мг l-1 без паузы или нарушения более чем 30 s.
    1. Добавление (bpy)Ni(COD). решения (16.4 мкл, 0,208 мкмоль) в сцинтилляционные 7-мл пробирку, содержащий l-1 (подготовлен в 2.1).
    2. Решение2 Zn(HMDS) (24,4 мкл, 0,208 мкмоль) добавьте в пробирку.
    3. BnOH решение (22,5 мкл, 0,208 мкмоль) добавьте в пробирку.
    4. Ir-1 решение (24.2 мкл, 0.0208 мкмоль) добавить в пробирку и крышка флакона.
    5. Надевайте защитные очки, блокирование голубой свет.
      Предупреждение: Как синий светодиодный свет с относительно высокой интенсивностью используется, носить защитные очки во время всего процесса.
    6. Включите синий светодиодный свет (34 Вт) и Вентилятор, чтобы рассеивать тепло, светодиодный свет. Прямой свет к флакона в холодную ловушку. (Рис. 1)
    7. Включите мешалки.
    8. Обложка холодную ловушку с алюминиевой фольгой.
    9. Держите температура реакции-15 ± 5 ° C и добавить жидкого азота каждые 15-20 минут.
      Примечание: Поддержание температуры реакции имеет важное значение для полимеризации и управления МВт.

3. Отслеживайте конверсии мономера, Фурье ИК спектров

Примечание: Инфракрасные спектры Фурье (FTIR) записываются на FT-ИК-спектрометр с алмазной ATR и передачи выборки аксессуар.

  1. В определенное время точках, добавить небольшой Алиготе раствора полимера (20 мкл) в сцинтилляционные 7-мл флаконе и максимум.
  2. Удаление флакон из вещевого ящика.
  3. Немедленно удалите раствор (3 мкл) на сборники алмаз FTIR-ATR. Решение образует пленку в течении 10 s для измерения спектра.
  4. Измерьте ФУРЬЕ спектр образца.
    Примечание: Конверсии мономера был определен коэффициент интенсивности между 1760 cm-1 и 1805s см-1: преобразование % =1760/ (я1760 + я1805) (представитель приводит на рис. 2). Как правило, полимеризации занимает около 1-8 ч для DP от 200 до 1000 (подробные кинетики обсуждаются в ссылка 13).

4. Измерение молекулярной массы полимера в гель-проникающей способности хромотографией

Примечание: Гель-проникающей способности хроматографии (ГКТ) являются эксперименты на систему, оборудованную дегазатор, многоракурсный лазерный детектор рассеяния света (MALS) с насосом Изократические (GaAs 30 МВт лазер на λ = 690 нм) и Дифференциальный коэффициент преломления (DRI) детектор с источником света 690 нм. Цветоделения осуществляется с помощью последовательно подключенных размер исключение столбцов (100 Å, 500 Å, 103 Å и 104 Å столбцы, 5 мкм, 300 × 4.6 мм) при 35 ° C, с помощью ТГФ как подвижная фаза скоростью потока a 0,35 мл/мин. Молекулярная масса полимера (МВт) и распределение молекулярного веса (Р) определяются с помощью Зимма модели подходят MALS-DRI данных. Наличие металла комплекс в полимер не влияет на результаты измерений ГКТ.

  1. Удаление небольших Алиготе раствора полимера (50 мкл) из вещевого ящика.
  2. Добавьте 100 мкл ТГФ в пробирку.
  3. Inject образца в GPC сэмплер.
  4. Проанализируйте результат после завершения теста ГКТ.
    Примечание: Полимер должен быть монодисперсными с узкими Đ (представитель приводит на рис. 3). Полимерные (20 мг) могут быть сушеные и промывают диэтиловым эфиром 1 мл, содержащие 1% HOAc и 1 мл метанола, который можно удалить, 87% Ni и 50% Zn комплексов, определяется масс-спектрометрия индуктивно связанной плазмы (ICP-MS).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Преобразование OCA контролируется Фурье ИК-спектроскопии, как показано на рисунке 2. Пик в 1805 см-1 назначается как растянуть Бонд ангидрида в ОСА; пик в 1760 cm-1 соответствует к формированию Эстер Бонд в полимер. После пика мономера в 1805 см-1 полностью исчезает, завершения полимеризации.

МВт и Đ полученный полимер характеризуется гель пропитывание хрома...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Важным шагом в рамках протокола является поддержание температуры реакции-15 ± 5 ° C. Все решения катализаторы и Оса мономеров должны храниться в морозильной камере перчаточного ящика при-35 ° C до полимеризации. Реакция флаконы должны быть предварительно охлажденным в холодную ловушку. Во время реакции потому что свет LED рассеивает тепло, это необходимо контролировать реакцию каждые 15-20 минут. Как только температура повышается до до-10 ° C, жидкого азота должны быть добавлены в Дьюара для охлаждения в ловушку. Причина...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторы заявляют не конкурирующих финансовых интересов. Предварительный патент (США патент приложение No: 62/414,016) была подана, касающийся результатов, представленных в настоящем документе.

Благодарности

Эта работа была поддержана первоначальное финансирование от Вирджиния политехнический институт и государственного университета. Q.F. признает поддержку от национального фонда естественных наук Китая (21504047), фонд естественных наук провинции Цзянсу (BK20150834), Нанкин университета почт и телекоммуникаций, научный фонд NUPTSF (NY214179).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Ni(COD)2Strem28-0010Хранится в морозильной камере бардачка.
2,2′-бипиридинStrem07-0290Хранится в бардачке морозильной камеры.
Zn(HMDS)2N/AN/AСинтезировано в соответствии с описанными процедурами.25 Хранится в морозильной камере перчаточного ящика.
Бензиловый спиртSigma-Aldrich402834Хранить с 4Å молекулярным ситом
Ir[dF(CF3)ppy]2(dtbbpy)PF6Strem77-0425Хранить в морозильной камере бардачка.
THFSigma-Aldrich34865Высушен колоннами из оксида алюминия и хранится с помощью молекулярного сита 4Å в темной бутылке в бардачке.
ЭтанолSigma-Aldrich793175
GPC с изократическим насосомAgilentAgilent серии 1260 Dawn
Heleos II Рассеиватель светаWyatt
Optilab rEX дифференциальный детектор показателя преломленияWyatt
Size Elimination колонкиPhenomenex
Glass Scintillation Vials - 7 млVWR
FTIR спектрометрAgilent
МешалкиVWR58948-091
Балансировочный
перчаточный ящикMbraunLabstar Pro

Ссылки

  1. Rezwan, K., Chen, Q. Z., Blaker, J. J., Boccaccini, A. R. Biodegradable and bioactive porous polymer/inorganic composite scaffolds for bone tissue engineering. Biomaterials. 27, 3413-3431 (2006).
  2. Kataoka, K., Harada, A., Nagasaki, Y. Block copolymer micelles for drug delivery: design, characterization and biological significance. Adv. Drug Deliv. Rev. 47, 113-131 (2001).
  3. Nagahata, R., Sano, D., Suzuki, H., Takeuchi, K. Microwave-assisted single-step synthesis of poly (lactic acid) by direct polycondensation of lactic acid. Macromol. Rapid Commun. 28, 437-442 (2007).
  4. Albertsson, A. -C., Varma, I. K. Recent developments in ring opening polymerization of lactones for biomedical applications. Biomacromolecules. 4, 1466-1486 (2003).
  5. Vert, M. Aliphatic polyesters: great degradable polymers that cannot do everything. Biomacromolecules. 6, 538-546 (2005).
  6. Thillayedu Boullay, O., Marchal, E., Martin-Vaca, B., Cossío, F. P., Bourissou, D. An activated equivalent of lactide toward organocatalytic ring-opening polymerization. J. Am. Chem. Soc. 128, 16442-16443 (2006).
  7. Thillayedu Boullay, O., Bonduelle, C., Martin-Vaca, B., Bourissou, D. Functionalized polyesters from organocatalyzed ROP of gluOCA, the O-carboxyanhydride derived from glutamic acid. Chem. Commun. , 1786-1788 (2008).
  8. Pounder, R. J., Fox, D. J., Barker, I. A., Bennison, M. J., Dove, A. P. Ring-opening polymerization of an O-carboxyanhydride monomer derived from L-malic acid. Polym. Chem. 2, 2204-2212 (2011).
  9. Zhang, Z., et al. Facile functionalization of polyesters through thiol-yne chemistry for the design of degradable, cell-penetrating and gene delivery dual-functional agents. Biomacromolecules. 13, 3456-3462 (2012).
  10. Lu, Y., et al. Synthesis of water-soluble poly(α-hydroxy acids) from living ring-opening polymerization of O-benzyl-l-serine carboxyanhydrides. ACS Macro Lett. 1, 441-444 (2012).
  11. Chen, X., et al. New bio-renewable polyester with rich side amino groups from L-lysine via controlled ring-opening polymerization. Polym. Chem. 5, 6495-6502 (2014).
  12. Wang, R., et al. Controlled ring-opening polymerization of O-carboxyanhydrides Using a β-Diiminate Zinc Catalyst. Angew. Chem. Int. Ed. , 13010-13014 (2016).
  13. Feng, Q., Tong, R. Controlled photoredox ring-opening polymerization of O-carboxyanhydrides. J. Am. Chem. Soc. 139, 6177-6182 (2017).
  14. Martin Vaca, B., Bourissou, D. O-Carboxyanhydrides: useful tools for the preparation of Well-defined functionalized polyesters. ACS Macro Lett. 4, 792-798 (2015).
  15. Yin, Q., Yin, L., Wang, H., Cheng, J. Synthesis and biomedical applications of functional poly(alpha-hydroxy acids) via ring-opening polymerization of O-carboxyanhydrides. Acc. Chem. Res. 48, 1777-1787 (2015).
  16. Xia, H., et al. N-heterocyclic carbenes as organocatalysts in controlled/living ring-opening polymerization of O-carboxyanhydrides derived from l-lactic acid and l-mandelic acid. J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 52, 2306-2315 (2014).
  17. Buchard, A., et al. Preparation of stereoregular isotactic poly(mandelic acid) through organocatalytic ring-opening polymerization of a cyclic O-carboxyanhydride. Angew. Chem. Int. Ed. 53, 13858-13861 (2014).
  18. Zhuang, X. -l, et al. Polymerization of lactic O-carboxylic anhydride using organometallic catalysts. Chin. J. Polym. Sci. 29, 197-202 (2010).
  19. He, Z., Jiang, L., Chuan, Y., Li, H., Yuan, M. Ring-opening polymerization of L-lactic acid O-carboxyanhydrides initiated by alkoxy rare earth compounds. Molecules. 18, 12768-12776 (2013).
  20. Jia, F., et al. One-pot atom-efficient synthesis of bio-renewable polyesters and cyclic carbonates through tandem catalysis. Chem. Commun. 51, 8504-8507 (2015).
  21. Tong, R., Cheng, J. Drug-initiated, controlled ring-opening polymerization for the synthesis of polymer-drug conjugates. Macromolecules. 45, 2225-2232 (2012).
  22. Bonduelle, C., Martin-Vaca, B., Bourissou, D. Lipase-catalyzed ring-opening polymerization of the O-carboxylic anhydride derived from lactic acid. Biomacromolecules. 10, 3069-3073 (2009).
  23. Yamamoto, T., Igarashi, K., Komiya, S., Yamamoto, A. Preparation and properties of phosphine complexes of nickel-containing cyclic amides and esters [(PR3)nNiCH2CH(R1)COZ (Z = NR2, O)]. J. Am. Chem. Soc. 102, 7448-7456 (1980).
  24. Deming, T. J. Amino acid derived nickelacycles: intermediates in nickel-mediated polypeptide synthesis. J. Am. Chem. Soc. 120, 4240-4241 (1998).
  25. Lee, D. -Y., Hartwig, J. F. Zinc trimethylsilylamide as a mild ammonia equivalent and base for the amination of aryl halides and triflates. Org. Lett. 7, 1169-1172 (2005).
  26. Yin, Q., et al. Drug-initiated ring-opening polymerization of O-carboxyanhydrides for the preparation of anticancer drug-poly(O-carboxyanhydride) nanoconjugates. Biomacromolecules. 14, 920-929 (2013).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Ni Zn

Похожие статьи