एक बॉक्स के बिना कण: परिवेश की स्थिति के तहत Photodegradable खूंटी स्टार पॉलिमर का ब्रश पहले संश्लेषण
Summary
पाली (इथाइलीन ग्लाइकॉल) (खूंटी) ब्रश हाथ के स्टार पॉलिमर संकीर्ण जन वितरण और tunable नैनोस्कोपिक आकार के साथ (BASPs) जिसके परिणामस्वरूप रहने के कुछ भागों के स्थानांतरण के बाद खूंटी norbornene macromonomer की अंगूठी खोलने वर्णव्यत्यय polymerization (कोलाहल करते हुए खेलना) के माध्यम में संश्लेषित कर रहे हैं एक कठोर, फोटो cleavable बीआईएस norbornene crosslinker के विभिन्न मात्रा युक्त शीशियों को ब्रश सर्जक.
Abstract
तरह – तरह से क्रियाशील नैनोकणों की तेजी, समानांतर संश्लेषण के लिए सुविधाजनक तरीके दवा वितरण, जैविक इमेजिंग, और समर्थित कटैलिसीस के लिए उपन्यास योगों की खोज के लिए सक्षम हो जाएगा. इस रिपोर्ट में, हम "ब्रश पहले" विधि द्वारा ब्रश हाथ सितारा बहुलक (BASP) नैनोकणों के समानांतर संश्लेषण प्रदर्शित करता है. इस विधि में, एक norbornene समाप्त पाली (इथाइलीन ग्लाइकॉल) (खूंटी) macromonomer (खूंटी एम एम) प्रथम रहने वाले एक ब्रश macroinitiator उत्पन्न करने के लिए रिंग खोलने वर्णव्यत्यय polymerization (कोलाहल करते हुए खेलना) के माध्यम से polymerized है. इस सर्जक शेयर समाधान के aliquots एक photodegradable बीआईएस norbornene crosslinker के विभिन्न मात्रा में होते हैं कि शीशियों में जुड़ जाते हैं. Crosslinker को एक्सपोजर अंततः खूंटी के शामिल crosslinker और Coronas के शामिल कोर के साथ BASPs कि पैदावार kinetically नियंत्रित ब्रश + ब्रश और सितारा + स्टार युग्मन प्रतिक्रियाओं की एक श्रृंखला शुरू की. अंतिम BASP आकार गयी crosslinker की मात्रा पर निर्भर करता है. हम syn बाहर लेहवा और नमी को दूर करने के लिए कोई विशेष सावधानियों के साथ benchtop पर तीन BASPs की थीसिस. नमूने जेल पारगमन क्रोमैटोग्राफी (जीपीसी) की विशेषता है, परिणाम अक्रिय (glovebox) शर्तों का उपयोग किया है कि हमारी पिछली रिपोर्ट के साथ मिलकर सहमत हुए. प्रमुख व्यावहारिक सुविधाओं, लाभ, और ब्रश पहली विधि के संभावित नुकसान पर चर्चा कर रहे हैं.
Introduction
Polymeric नैनोकणों व्यापक रूप से दवा वितरण के लिए प्लेटफार्म, समर्थित कटैलिसीस, जैविक इमेजिंग, और आत्म विधानसभा 1-3 के रूप में अपनी क्षमता के उपयोग के लिए अध्ययन किया गया है. आधुनिक अनुप्रयोगों nanoparticle syntheses, सुगम प्रतिलिपि प्रस्तुत करने, रासायनिक functionalities के साथ संगत, और विविधीकरण 4,5 करने के लिए उत्तरदायी होना आवश्यक है. तनावपूर्ण olefins की अंगूठी खोलने वर्णव्यत्यय polymerization (कोलाहल करते हुए खेलना) नियंत्रित आकार और संकीर्ण जन वितरण 1,6-8 साथ कार्यात्मक polymeric nanostructures के संश्लेषण के लिए एक शक्तिशाली पद्धति है. उदाहरण के लिए, norbornene-क्रियाशील पाली (इथाइलीन ग्लाइकॉल) (खूंटी) macromonomers (एमएमएस) कुशलता से पानी में घुलनशील बोतल ब्रश पॉलिमर उत्पन्न करने के लिए कोलाहल करते हुए खेलना माध्यम polymerized किया जा सकता है. इस दृष्टिकोण का प्रयोग, कई प्रकाशित करने योग्य दवा अणुओं, fluorophores, और स्पिन विपरीत एजेंटों ले nanostructures कि तेजी से और समानांतर 6, 9, 10 में तैयार किया जा सकता है.
रॉमपी भी सितारा पॉलिमर के "हाथ पहले" संश्लेषण के लिए इस्तेमाल किया गया है. एआरएम पहली विधि में, रैखिक पॉलिमर polymeric हथियारों के साथ गोलाकार nanostructures के लिए देने के लिए एक बहुआयामी crosslinker साथ Crosslinked रहे हैं. Schrock और सह कार्यकर्ता norbornene, dicarbomethoxynorbornadiene, और एक bifunctional norbornene crosslinker साथ trimethylsilyl संरक्षित dicarboxynorbornene रैखिक पॉलिमर के crosslinking के माध्यम से स्टार पॉलिमर की पहली शाखा पहला कोलाहल करते हुए खेलना संश्लेषण की सूचना दी. 11, 12 Buchmeiser एक साथ सामग्री के संश्लेषण के लिए इस पद्धति को बढ़ा दिया गया है समर्थित कटैलिसीस, ऊतक इंजीनियरिंग, और क्रोमैटोग्राफी 13-17 शामिल है कि आवेदनों की सीमा. Otani और सहकर्मियों से संबंधित एक "में आउट" polymerization रणनीति 18, 19 के माध्यम से कार्यात्मक सतहों के साथ सितारा बहुलक नैनोकणों बना दिया है.
अधिकांश एआरएम पहले polymerizations monomer, बहुलक, और सितारा युग्मन प्रतिक्रियाओं का एक जटिल परस्पर क्रिया शामिल है. गुआम तौर पर व्यापक आणविक वजन (मेगावाट) के वितरण के लिए जाता है कि एक कदम विकास तंत्र के माध्यम से ई उत्तरार्द्ध आय. संबंधित एआरएम पहले परमाणु हस्तांतरण कट्टरपंथी polymerization प्रतिक्रियाओं में इस सीमा को पार करने के लिए, Matyjaszewski और सहकर्मियों बहुत संकीर्ण मेगावाट वितरण 20 के साथ स्टार पॉलिमर प्रदान करने के लिए preformed polymeric एमएमएस के एआरएम पहले crosslinking प्रदर्शन किया. इस मामले में, एमएमएस की steric थोक, और साइटों दीक्षा के लिए सितारा हथियारों की वृद्धि अनुपात, खराब नियंत्रित सितारा + स्टार युग्मन प्रक्रियाओं हिचकते हैं, और एक जीवित, चेन विकास तंत्र के लिए नेतृत्व किया.
हम एक norbornene समाप्त खूंटी मिमी और एक बीआईएस norbornene crosslinker साथ कोलाहल करते हुए खेलना के संदर्भ में एक ही रणनीति का प्रयास करते हैं, बहुत व्यापक, मल्टी मॉडल मेगावाट वितरण के साथ स्टार पॉलिमर प्राप्त किया गया. इस परिणाम में इस प्रणाली में अकेले एम.एम. सितारा + स्टार युग्मन बाधित करने के लिए पर्याप्त रूप से भारी नहीं था कि सुझाव दिया. सितारा हथियारों की steric थोक में वृद्धि, और संभवतः इस uncontro सीमित करने के लिएयुग्मन lled, हम पहले crosslinker के अभाव में बोतल ब्रश पॉलिमर फार्म मिमी भाजन और फिर crosslinker जोड़ने का प्रयास किया. हम कुछ शर्तों के तहत, इस "ब्रश पहले" विधि संकीर्ण मेगावाट वितरण और tunable कोर और कोरोना functionalities के साथ "ब्रश हाथ के स्टार पॉलिमर" (BASPs) के लिए सीधा पहुँच प्रदान की है कि खोजने के लिए खुश थे.
हमने हाल ही में Grubbs 3 पीढ़ी उत्प्रेरक (चित्रा 1) 21 का उपयोग कर खूंटी BASPs का ब्रश पहले कोलाहल करते हुए खेलना संश्लेषण की सूचना दी. इस काम में, उत्प्रेरक को खूंटी एम एम बी के संपर्क में परिभाषित रीढ़ की हड्डी की लंबाई के साथ एक बैठक ब्रश macroinitiator (बी 1, चित्रा 1) उत्पन्न. Crosslinker सी के विभिन्न मात्रा में निहित है कि शीशियों को बी 1 की aliquots के स्थानांतरण BASP शुरू कीगठन. मेगावाट, और BASPs की इसलिए आकार, सी की मात्रा के साथ ज्यामितीय वृद्धि की गयी. हम इस ज्यामितीय विकास प्रक्रिया के लिए एक यंत्रवत परिकल्पना प्रदान की है और कार्यात्मक, nitroxide कोर और कोरोना लेबल BASPs तत्काल बाद polymerization संशोधन कदम या अनुक्रमिक मोनोमर परिवर्धन के लिए आवश्यकता के बिना तैयार किया जा सकता है कि प्रदर्शन किया. हालांकि, रिपोर्ट उदाहरणों के सभी में, हम उत्प्रेरक क्रियाशीलता छोड़ना के बारे में चिंतित थे, हम एक glovebox अंदर 2 एन वातावरण के तहत सभी प्रतिक्रियाओं को अंजाम दिया.
हमारी प्रारंभिक रिपोर्ट के बाद से, हम ब्रश पहली विधि norbornene समाप्त एमएमएस और कार्यात्मक crosslinkers की एक विस्तृत श्रृंखला से BASPs के गठन के लिए बहुत प्रभावी है कि मिल गया है. हम भी विधि हवा या नमी को दूर करने के लिए कोई विशेष सावधानियों के साथ benchtop पर प्रदर्शन किया जा सकता है की खोज की है.
इस के साथ साथ, भिन्न मेगावाट की तीन BASPs की एक श्रृंखला एसवाई किया जाएगापरिवेश परिस्थितियों में ब्रश पहली विधि द्वारा nthesized. संक्षेप में, बी के 10 समकक्ष 10 के polymerization के एक औसत डिग्री (डीपी) के साथ एक द्विपक्षीय उपज के लिए 15 मिनट के लिए उत्प्रेरक (चित्रा 1 ए) के 1.0 समकक्ष से अवगत कराया जाएगा. बीआई के इस बैच के तीन aliquots 10, 15 होते हैं कि अलग शीशियों को हस्तांतरित, और 20 समकक्ष (एन, चित्रा 1 बी) सी का हो जाएगा. 4 घंटा बाद, polymerizations एथिल vinyl ईथर के अलावा के माध्यम से बुझती किया जाएगा. सितारा बहुलक मेगावाट और मेगावाट वितरण एक बहु कोण लेजर प्रकाश बिखरने डिटेक्टर (जीपीसी मॉल) के साथ सुसज्जित एक जेल पारगमन क्रोमैटोग्राफी साधन का उपयोग कर विशेषता होगी.
Protocol
Representative Results
Discussion
ब्रश पहले BASP संश्लेषण का प्रमुख लाभ तेजी से विशेष उपकरणों की आवश्यकता के बिना समानांतर में विविध आकार और संरचना nanostructures के synthesize करने की अद्भुत क्षमता है. इस अध्ययन में, हम एक norbornene क्रियाशील खूंटी macromonomer (?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
हम रसायन विज्ञान के एमआईटी विभाग और इस काम के समर्थन के लिए एमआईटी लिंकन लैब्स उन्नत अवधारणाओं समिति धन्यवाद.
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).
