Deeltjes zonder een doos: Brush-eerste Synthese van afbreekbaar PEG sterpolymeren onder omgevingsomstandigheden
Summary
Poly (ethyleenglycol) (PEG) brush-arm stervormige polymeren (BASPs) met nauwe massaverdeling en afstembare nanoscopische maten worden gesynthetiseerd via ringopening metathese polymerisatie (ROMP) een PEG-norborneen macromonomeer gevolgd door overdracht van gedeelten van de resulterende levende borstel initiator flesjes met verschillende hoeveelheden van een stijve, foto afsplitsbare bis-norborneen verknopingsmiddel.
Abstract
Geschikte methodes voor de snelle, parallelle synthese van divers gefunctionaliseerde nanodeeltjes ontdekking van nieuwe formuleringen voor drug delivery, biologische beeldvorming, en ondersteund katalyse mogelijk te maken. In dit rapport, tonen we aan parallelle synthese van borstel-arm ster polymeer (BASP) nanodeeltjes door de "brush-first"-methode. Bij deze werkwijze wordt een-norborneen eindigend poly (ethyleenglycol) (PEG) macromonomeer (PEG-MM) Eerst gepolymeriseerd via ringopenende metathese polymerisatie (ROMP) een levende borstel macroinitiator genereren. Porties van deze initiator voorraad oplossing worden toegevoegd aan flesjes die gevarieerde hoeveelheden van een afbreekbaar bis-norborneen crosslinker bevatten. Blootstelling aan crosslinker initieert een reeks van kinetisch-gecontroleerde borstel + kwast en ster + ster koppeling reacties die uiteindelijk oplevert BASPs met kernen bestaat uit de crosslinker en corona bestaat uit PEG. De uiteindelijke BASP hangt af van de hoeveelheid verknopingsmiddel toegevoegd. Wij voeren de synstelling van drie BASPs op de werkbank zonder speciale voorzorgsmaatregelen om lucht en vocht te verwijderen. De monsters worden gekarakteriseerd door gelpermeatiechromatografie (GPC); afgesproken resultaten samen met onze eerdere rapport dat inert (handschoenkast) omstandigheden toegepast. Belangrijkste praktische kenmerken, voordelen en mogelijke nadelen van de borstelvormige eerste methode besproken.
Introduction
Polymere nanodeeltjes zijn uitgebreid onderzocht op hun potentieel gebruik als platform voor drug delivery, ondersteund katalyse, biologische beeldvorming, en zelf-assemblage 1-3. Moderne toepassingen vereisen dat nanodeeltjes syntheses zijn facile, reproduceerbaar, compatibel met chemische functionaliteiten, en vatbaar voor diversificatie 4,5. Ringopening metathese polymerisatie (ROMP) van gespannen olefinen is een krachtige methode voor de synthese van functionele polymere nanostructuren met gecontroleerde grootte en smalle massaverdeling 1,6-8. Zo kunnen gefunctionaliseerde norborneen-poly (ethyleenglycol) (PEG) macromonomeren (MMS) doeltreffend worden gepolymeriseerd via ROMP water oplosbare fles-borstel polymeren genereren. Met deze aanpak kan nanostructuren die meerdere losmaakbare drugmolecules, fluoroforen, en rotatie-contrastmiddelen dragen snel en parallel 6, 9, 10 worden bereid.
ROMP is ook gebruikt voor de "arm-first" synthese van stervormige polymeren. In het arm-eerste methode worden lineaire polymeren verknoopt met een multifunctioneel verknopingsmiddel bolvormige nanostructuren geven met polymere armen. Schrock en medewerkers meldde de eerste arm-eerst ROMP synthese van stervormige polymeren via crosslinking van norborneen, dicarbomethoxynorbornadiene en trimethylsilyl beschermde dicarboxynorbornene lineaire polymeren met een bifunctioneel verknopingsmiddel norborneen. 11 is 12 Buchmeiser deze methodiek verlengd voor de synthese van materialen met een waaier van toepassingen die worden ondersteund katalyse, tissue-engineering, en chromatografie 13-17 omvatten. Otani en collega's hebben sterpolymeer nanodeeltjes met functionele oppervlakken via een verwante "in-uit" polymerisatie strategie 18, 19.
De meeste arm-eerst polymerisatie leiden tot een complex samenspel van monomeer, polymeer en sterkoppeling reacties. The laatstgenoemde verloopt via een stap-groeimechanisme die typisch leidt tot brede molecuulgewicht (MW) distributies. Om deze beperking op aanverwante arm-eerste atoomoverdrachtsradicaalpolymerisatie reacties te overwinnen, Matyjaszewski en collega's uitgevoerd arm-eerste verknoping van voorgevormde polymere MMS naar sterpolymeren voorzien van zeer smalle MW distributies 20. In dit geval, de sterische omvang van de MMS, en de verhoogde verhouding van de ster armen naar sites initiatie, remde slecht gecontroleerde ster + ster koppeling processen, en leidde tot een levende, keten groei mechanisme.
Als we probeerden dezelfde strategie in het kader van ROMP met een norborneen-beëindigde PEG-MM en bis-norborneen verknopingsmiddel, stervormige polymeren met een zeer brede multi-modale MW verdelingen werden verkregen. Dit resultaat suggereerde dat in dit systeem de MM alleen was niet voldoende omvangrijk om ster + ster koppeling remmen. Om de sterische omvang van de ster armen te verhogen, en mogelijk dit uncontro beperkenlled koppeling We probeerden eerst polymeriseren de MM fles-borstel polymeren in afwezigheid van verknopingsmiddel en voeg de crosslinker. We waren blij om te zien dat onder bepaalde voorwaarden, deze "borstel-first"-methode verstrekt eenvoudige toegang tot "borstel-arm sterpolymeren" (BASPs) met smalle MW uitkeringen en afstembare kern en corona functionaliteiten.
We hebben onlangs gemeld de borstelvormige eerste ROMP synthese van PEG BASPs met 3 de generatie Grubbs katalysator A (fig. 1) 21. In dit werk, blootstelling van PEG-MM B katalysator Een gegenereerde een levend penseel macroinitiator met gedefinieerde skeletlengte (B1, figuur 1). Overdracht van hoeveelheden van de B 1 tot en flacons die verschillende hoeveelheden crosslinker C bevatte geïnitieerd BASP-vorming. De MW, en dus de grootte, van de BASPs geometrisch vermeerderd met het bedrag van C toegevoegd. Wij ontvangen een mechanistische hypothese voor deze geometrische groeiproces aangetoond dat functionele nitroxide kern-en-corona gemerkte BASPs kon gemakkelijk bereid zonder de noodzaak voor post-polymerisatie modificatiestappen of sequentieel monomeertoevoegingen. Echter, in alle van de gerapporteerde voorbeelden, we waren bezorgd over katalysatordeactivering, we in een dashboardkastje uitgevoerd alle reacties onder N2-atmosfeer.
Sinds onze eerste rapport, hebben wij gevonden dat de borstelvormige eerste methode is zeer effectief voor de vorming van BASPs uit een breed scala van norborneen beëindigd MMS en crosslinkers. We hebben ook ontdekt dat de methode kan worden uitgevoerd op de werkbank zonder speciale voorzorgsmaatregelen om lucht of vocht te verwijderen.
Hierin wordt een reeks van drie BASPs van verschillende molecuulgewichten worden synthesized door de borstelvormige eerste methode onder omgevingsomstandigheden. In het kort wordt 10 equivalenten B worden blootgesteld aan 1,0 equivalenten van katalysator A (fig. 1a) gedurende 15 min een BI verkregen met een gemiddelde polymerisatiegraad (DP) van 10. Drie monsters van deze partij BI wordt overgedragen aan afzonderlijke flesjes die 10, 15 bevatten, en 20 equivalenten (N, figuur 1b) van C. Na 4 uur wordt de polymerisaties worden afgeschrikt door toevoeging van ethyl vinyl ether. De ster polymeer molecuulgewichten en MW distributies worden gekarakteriseerd met een gelpermeatiechromatografie toestel met multi-angle laser light scattering detector (GPC-MALLS).
Protocol
Representative Results
Discussion
Het belangrijkste voordeel van borstelvormige eerste BASP synthese is het unieke vermogen om snel synthetiseren nanostructuren van verschillende omvang en samenstelling parallel zonder behoefte aan speciale apparatuur. In deze studie demonstreren we de borstelvormige eerste synthetische werkwijze met een norborneen gefunctionaliseerde PEG macromonomeer (B, figuur 1) en een bis-norborneen nitrobenzylester verknopingsmiddel (C, figuur 1). De PEG-ketens van B<…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wij danken de MIT afdeling Scheikunde en het MIT Lincoln Labs Advanced Concepts Comite voor de ondersteuning van dit werk.
Materials
| Grubbs Second Generation Catalyst | Materia (or Sigma Aldrich) | C848 (Sigma Aldrich: 569747) |
Used as purchased from manufacturer. *Provided as a generous gift. |
| Pyridine | Sigma Aldrich | 270970 | Used as purchased from manufacturer |
| O-(2-aminoethyl)polyethylene glycol 3000 | Sigma Aldrich | 07969 | Used as purchased from manufacturer |
| PEG-MM | N/A | N/A | Synthesized following reported procedures (Ref. 21, protocol 1) |
| norbornene-N-hydroxysuccinimidyl (NHS) ester | N/A | N/A | Synthesized following reported procedures (Ref. 21) |
| Bis-norb-NBOC Crosslinker | N/A | N/A | Synthesized following reported procedures (Ref. 21) |
| Pentane | Sigma Aldrich | 158941 | Used as purchased from manufacturer |
| Tetrahydrofuran (HPLC grade) | Sigma Aldrich | 34865 | Dried and purified over a solvent purification columns |
| Dichloromethane | VWR | BDH1113-4LG | Used as purchased from manufacturer |
| Acetonitrile (HPLC grade) | Sigma Aldrich | 34998 | Used as purchased from manufacturer |
| Acetic Acid | Sigma Aldrich | A6283 | Used as purchased from manufacturer |
| Sodium sulfate | Sigma Aldrich | 239313 | Used as purchased from manufacturer |
| Diethyl ether | Sigma Aldrich | 673811 | Used as purchased from manufacturer |
| Dimethylformamide (HPLC grade) | Sigma Aldrich | 270547 | Used as purchased from manufacturer |
| Lithium Bromide | Sigma Aldrich | 213225 | Used as purchased from manufacturer |
| MillQ Biocel A10 | Millipore | ||
| Beckmann Coulter HPLC (127p solvent module, 166p detector) | Beckmann Coulter | ||
| Zorbax 300SB-C18 PrepHT reverse phase column | Agilent | ||
| 1260 Infinity Liquid Chromatography | Agilent | ||
| GPC KD-806M column | Shodex | ||
| Dawn Heleos II Light Scatterer | Wyatt | ||
| Optilab T-rEX Refractive Index Detector | Wyatt | ||
| Glass Scintillation Vials – 40 ml | Chemglass | CG-4909-05 | |
| Glass Scintillation Vials – 4 ml | Chemglass | CG-4904-06 | |
| Glass Scintillation Vials (PTFE-lined cap) – 2 ml | Agilent | 5183-4518 | |
| Stir-bars | VWR | 5894x | various sizes |
| 13 mm 0.45 µm Nylon Syringe filter | PerkinElmer | 02542903 | |
| 13 mm 0.45 µm polytetrafluoroethylene syringe filter | PerkinElmer | 02542909 | |
| 1 ml disposable syringes | VWR | 53548-001 | |
| Swing bucket centrifuge or similar | Should be able to reach approximately 4,000 rpm | ||
| Round bottom flask | |||
| Fritted glass filter assembly | |||
| Rotary Evaporator | |||
| Balance |
References
- Bielawski, C. W., Grubbs, R. H. Living ring-opening metathesis polymerization. Prog. Polym. Sci. 32, 1-29 (2007).
- Hawker, C. J. The Convergence of Synthetic Organic and Polymer Chemistries. Science. 309, 1200-1205 (2005).
- Peer, D., Karp, J. M., Hong, S., Farokhzad, O. C., Margalit, R., Langer, R. Nanocarriers as an emerging platform for cancer therapy. Nat. Nano. 2, 751-760 (2007).
- Whitesides, G. M. Nanoscience, Nanotechnology, and Chemistry. Small. 1, 172-179 (2005).
- Leitgeb, A., Wappel, J., Slugovc, C. The ROMP toolbox upgraded. Polymer. 51, 2927-2946 (2010).
- Johnson, J. A., Lu, Y. Y., Burts, A. O., Lim, Y. -. H., Finn, M. G., Koberstein, J. T., Turro, N. J., Tirrell, D. A., Grubbs, R. H. Core-Clickable PEG-Branch-Azide Bivalent-Bottle-Brush Polymers by ROMP: Grafting-Through and Clicking-To. J. Am. Chem. Soc. 133, 559-566 (2010).
- Bielawski, C. W., Grubbs, R. H. Highly Efficient Ring-Opening Metathesis Polymerization (ROMP) Using New Ruthenium Catalysts Containing N-Heterocyclic Carbene Ligands. Angew. Chem. Int. Ed. 39, 2903-2906 (2000).
- Love, J. A., Morgan, J. P., Trnka, T. M., Grubbs, R. H. A Practical and Highly Active Ruthenium-Based Catalyst that Effects the Cross Metathesis of Acrylonitrile. Angew. Chem. Int. Ed. 41, 4035-4037 (2002).
- Lu, J. A., Johnson, Y. Y., Burts, A. O., Xia, Y., Durrell, A. C., Tirrell, D. A., Grubbs, R. H. Drug-Loaded, Bivalent-Bottle-Brush Polymers by Graft-through ROMP. Macromolecules. 43, 10326-10335 (2010).
- Burts, A. O., Li, Y. J., Zhukhovitskiy, A. V., Patel, P. R., Grubbs, R. H., Ottaviani, M. F., Turro, N. J., Johnson, J. A. Using EPR To Compare PEG-branch-nitroxide “Bivalent-Brush Polymers” and Traditional PEG Bottle-Brush Polymers: Branching Makes a Difference. Macromolecules. 45, 8310-8318 (2012).
- Bazan, G. C., Schrock, R. R. Synthesis of star block copolymers by controlled ring-opening metathesis polymerization. Macromolecules. 24, 817-823 (1991).
- Saunders, R. S., Cohen, R. E., Wong, S. J., Schrock, R. R. Synthesis of amphiphilic star block copolymers using ring-opening metathesis polymerization. Macromolecules. 25, 2055-2057 (1992).
- Buchmeiser, M. R., Wurst, K. Access to Well-Defined Heterogeneous Catalytic Systems via Ring-Opening Metathesis Polymerization (ROMP): Applications in Palladium(II)-Mediated Coupling Reactions. J. Am. Chem. Soc. 121, 11101-11107 (1999).
- Weichelt, F., Frerich, B., Lenz, S., Tiede, S., Buchmeiser, M. R. Ring-Opening Metathesis Polymerization-Based Synthesis of CaCO3 Nanoparticle-Reinforced Polymeric Monoliths for Tissue Engineering. Macromol. Rapid Comm. 31, 1540-1545 (2010).
- Weichelt, F., Lenz, S., Tiede, S., Reinhardt, I., Frerich, B., Buchmeiser, M. R. ROMP-Derived cyclooctene-based monolithic polymeric materials reinforced with inorganic nanoparticles for applications in tissue engineering. Beilstein J. Org. Chem. 6, 1199-1205 (2010).
- Mayr, M., Mayr, B., Buchmeiser, M. R. Monolithic Materials: New High-Performance Supports for Permanently Immobilized Metathesis Catalysts. Angew. Chem. Int. Ed. 40, 3839-3842 (2001).
- Mayr, B. H., ölzl, G., Eder, K., Buchmeiser, M. R., Huber, C. G. Hydrophobic, Pellicular, Monolithic Capillary Columns Based on Cross-Linked Polynorbornene for Biopolymer Separations. Anal. Chem. 74, 6080-6087 (2002).
- Otani, H., Fujita, S., Watanabe, Y., Fujiki, M., Nomura, K. A Facile, Controlled Synthesis of Soluble Star Polymers Containing a Sugar Residue by Ring-Opening Metathesis Polymerization (ROMP). Macromol. Symp. 293, 53-57 (2010).
- Nomura, K., Watanabe, Y., Fujita, S., Fujiki, M., Otani, H. Facile Controlled Synthesis of Soluble Star Shape Polymers by Ring-Opening Metathesis Polymerization (ROMP). Macromolecules. 42, 899-901 (2009).
- Gao, H., Ohno, S., Matyjaszewski, K. Low Polydispersity Star Polymers via Cross-Linking Macromonomers by ATRP. J. Am. Chem. Soc. 128, 15111-15113 (2006).
- Liu, J., Burts, A. O., Li, Y., Zhukhovitskiy, A. V., Ottaviani, M. F., Turro, N. J., Johnson, J. A. “Brush-First” Method for the Parallel Synthesis of Photocleavable, Nitroxide-Labeled Poly(ethylene glycol) Star Polymers. J. Am. Chem. Soc. 134, 16337-16344 (2012).
- Studer, P., Larras, V., Riess, G. Amino end-functionalized poly(ethylene oxide)-block-poly(methylidene malonate 2.1.2) block copolymers: synthesis, characterization, and chemical modification for targeting purposes. Eur. Polym. J. 44, 1714-1721 (2008).
- Mosquet, M., Chevalier, Y., Le Perchec, P., Guicquero, J. P. Synthesis of poly (ethylene oxide) with a terminal amino group by anionic polymerization of ethylene oxide initiated by aminoalcoholates. Macromol. Chem. Phys. 198, 2457-2474 (1997).
- Burchard, W. Solution properties of branched macromolecules. Adv. Polym. Sci. 143, 113-194 (1999).
- Gao, H. F. Development of Star Polymers as Unimolecular Containers for Nanomaterials. Macromol. Rapid Comm. , 722-734 (2012).
- Blencowe, A., Tan, J. F., Goh, T. K., Qiao, G. G. Core cross-linked star polymers via controlled radical polymerisation. Polymer. 50, 5-32 (2009).
- Burts, A. O., Liao, L., Lu, Y. Y., Tirrell, D. A., Johnson, J. A. Brush-first and Click: Efficient Synthesis of Nanoparticles that Degrade and Release Doxorubicin in Response to Light. Photochem. Photobiol. , (2013).
